KR102458714B1 - Lithium Anode Device Laminate Fabrication - Google Patents
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Abstract
금속 전극들, 더 구체적으로는, 리튬 함유 애노드들, 전술된 리튬 함유 전극들을 포함하는 고성능 전기화학적 디바이스들, 이를테면, 이차 배터리들, 및 이를 제조하기 위한 방법들이 제공된다. 일 구현에서, 애노드 전극 구조가 제공된다. 애노드 전극 구조는, 구리를 포함하는 집전체, 집전체 상에 형성되는 리튬 금속 막, 리튬 금속 막 상에 형성되는 구리 막, 및 구리 막 상에 형성되는 보호 막을 포함한다. 보호 막은, 리튬-이온 전도성 세라믹, 리튬-이온 전도성 유리, 또는 이온 전도성 액정을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 리튬-이온 전도성 막이다.High performance electrochemical devices, such as secondary batteries, comprising metal electrodes, more particularly lithium containing anodes, lithium containing electrodes described above, and methods for making the same are provided. In one implementation, an anode electrode structure is provided. The anode electrode structure includes a current collector including copper, a lithium metal film formed on the current collector, a copper film formed on the lithium metal film, and a protective film formed on the copper film. The protective film is a lithium-ion conductive film selected from the group comprising lithium-ion conductive ceramic, lithium-ion conductive glass, or ion conductive liquid crystal.
Description
본원에 설명된 구현들은 일반적으로 금속 전극들에 관한 것으로, 더 구체적으로는, 리튬 함유 애노드들, 전술된 리튬 함유 전극들을 포함하는 고성능 전기화학적 디바이스들, 이를테면, 이차 배터리들, 및 이를 제조하기 위한 방법들에 관한 것이다.Implementations described herein relate generally to metal electrodes, and more specifically to lithium-containing anodes, high-performance electrochemical devices including the lithium-containing electrodes described above, such as secondary batteries, and for manufacturing the same. It's about methods.
재충전가능한 전기화학적 저장 시스템들은 현재 일상 생활의 많은 분야들에서 점점 더 가치가 높아지고 있다. 리튬-이온(Li-이온) 배터리들과 같은 고용량 전기화학적 에너지 저장 디바이스들은, 휴대용 전자기기, 의료, 교통, 그리드 연결(grid-connected) 대형 에너지 저장소, 재생가능한 에너지 저장소, 및 무정전 전력 공급장치(UPS; uninterruptible power supply)를 포함하는 점점 더 많은 수의 응용들에서 사용되고 있다. 종래의 납/황산 배터리들은 종종 정전용량이 부족하며, 이러한 성장 중인 응용들에 대해 종종 불충분하게 사이클링가능하다. 그러나, 리튬-이온 배터리들은 가장 가능성이 있는 것으로 생각된다.Rechargeable electrochemical storage systems are now becoming increasingly valuable in many areas of daily life. High capacity electrochemical energy storage devices, such as lithium-ion (Li-ion) batteries, are widely used in portable electronics, medical, transportation, grid-connected large energy storage, renewable energy storage, and uninterruptible power supplies ( It is being used in a growing number of applications including uninterruptible power supplies (UPS). Conventional lead/sulfuric acid batteries often lack capacitance and are often insufficiently cycleable for these growing applications. However, lithium-ion batteries are considered the most promising.
전형적으로, 리튬-이온 배터리들은 안전상의 이유들로 인해 어떠한 금속성 리튬도 함유하지 않지만, 대신, 흑연질 물질을 애노드로서 사용한다. 그러나, 충전된 상태에서 한계 조성(LiC6)까지 충전될 수 있는 흑연의 사용은, 금속성 리튬의 사용과 비교하여 훨씬 더 낮은 용량을 초래한다. 현재, 업계는, 에너지 셀 밀도를 증가시키기 위해 흑연질 기재 애노드에서 규소 블렌딩된 흑연으로 이동하고 있다. 그러나, 규소 블렌딩된 흑연 애노드들은 제1 사이클 용량 손실로 인해 어려움을 겪는다. 따라서, 규소 블렌딩된 흑연 애노드들의 제1 사이클 용량 손실을 보충하기 위한 리튬 금속 증착에 대한 필요성이 존재한다. 그러나, 리튬 금속은 몇몇 디바이스 통합 난제들에 직면해 있다.Typically, lithium-ion batteries do not contain any metallic lithium for safety reasons, but instead use a graphitic material as the anode. However, the use of graphite, which can be charged from the charged state to the limiting composition (LiC 6 ), results in a much lower capacity compared to the use of metallic lithium. Currently, the industry is moving from graphitic based anodes to silicon blended graphite to increase energy cell density. However, silicon blended graphite anodes suffer from first cycle capacity loss. Accordingly, a need exists for lithium metal deposition to compensate for the first cycle capacity loss of silicon blended graphite anodes. However, lithium metal faces several device integration challenges.
리튬은 알칼리 금속이다. 제1 주족의 중원소 동족체들처럼, 리튬은 다양한 물질들과의 강한 반응성에 의해 특성화된다. 리튬은, 물, 알코올들, 및 양성자성 수소를 함유하는 다른 물질과 격렬히 반응하며, 종종, 점화를 초래한다. 리튬은 공기 중에서 불안정하며, 산소, 질소, 및 이산화탄소와 반응한다. 리튬은 일반적으로 불활성 가스 분위기(아르곤과 같은 희가스들) 하에서 처리되며, 리튬의 강한 반응성은, 다른 처리 동작들이 또한 불활성 가스 분위기에서 수행되는 것을 필요로 한다. 결과적으로, 리튬은 처리, 저장, 및 운반에 착수할 때 몇몇 난제들을 낳는다.Lithium is an alkali metal. Like its heavy elemental homologues of the first main group, lithium is characterized by its strong reactivity with a variety of materials. Lithium reacts violently with water, alcohols, and other substances containing protic hydrogen, often resulting in ignition. Lithium is unstable in air and reacts with oxygen, nitrogen, and carbon dioxide. Lithium is generally processed under an inert gas atmosphere (rare gases such as argon), and the strong reactivity of lithium requires that other processing operations also be performed in an inert gas atmosphere. As a result, lithium poses several challenges when it comes to handling, storage, and transport.
리튬 금속에 대한 보호 표면 처리들이 개발되었다. 리튬 금속의 보호 표면 처리의 하나의 방법은, 왁스 층, 예컨대, 폴리에틸렌 왁스로 리튬 금속을 코팅하는 것을 포함한다. 그러나, 전형적으로는 많은 양의 코팅제가 도포되고, 이는, 리튬 금속 막의 후속 처리를 방해한다.Protective surface treatments for lithium metal have been developed. One method of protective surface treatment of lithium metal involves coating the lithium metal with a wax layer, such as polyethylene wax. However, typically a large amount of coating is applied, which prevents subsequent processing of the lithium metal film.
보호 표면 처리의 다른 방법은, 연속적 카르보네이트 코팅, 중합체 코팅, 예컨대, 폴리우레탄들, PTFE, PVC, 폴리스티렌 및 다른 것들로, 안정화된 리튬 금속 분말("SLMP")을 생성하는 것을 제안한다. 그러나, 이러한 중합체 코팅들은, 전극 물질들을 사전 리튬화할 때 문제들을 야기할 수 있다.Another method of protective surface treatment proposes to produce a stabilized lithium metal powder (“SLMP”) with a continuous carbonate coating, a polymer coating such as polyurethanes, PTFE, PVC, polystyrene and others. However, these polymer coatings can cause problems when pre-lithiating the electrode materials.
따라서, 에너지 저장 시스템들에서 리튬 금속들의 증착 및 처리를 위한 방법들 및 시스템들에 대한 필요성이 존재한다Accordingly, a need exists for methods and systems for the deposition and processing of lithium metals in energy storage systems.
본원에 설명된 구현들은 일반적으로 금속 전극들에 관한 것으로, 더 구체적으로는, 리튬 함유 애노드들, 전술된 리튬 함유 전극들을 포함하는 고성능 전기화학적 디바이스들, 이를테면, 이차 배터리들, 및 이를 제조하기 위한 방법들에 관한 것이다. 일 구현에서, 애노드 전극 구조가 제공된다. 애노드 전극 구조는, 구리를 포함하는 집전체, 집전체 상에 형성되는 리튬 금속 막, 리튬 금속 막 상에 형성되는 구리 막, 및 구리 막 상에 형성되는 보호 막을 포함한다. 보호 막은, 리튬-이온 전도성 세라믹, 리튬-이온 전도성 유리, 또는 이온 전도성 액정을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 리튬-이온 전도성 막이다.Implementations described herein relate generally to metal electrodes, and more specifically to lithium-containing anodes, high-performance electrochemical devices including the lithium-containing electrodes described above, such as secondary batteries, and for manufacturing the same. It's about methods. In one implementation, an anode electrode structure is provided. The anode electrode structure includes a current collector including copper, a lithium metal film formed on the current collector, a copper film formed on the lithium metal film, and a protective film formed on the copper film. The protective film is a lithium-ion conductive film selected from the group comprising lithium-ion conductive ceramic, lithium-ion conductive glass, or ion conductive liquid crystal.
다른 구현에서, 애노드 전극 구조가 제공된다. 애노드 전극 구조는, 구리를 포함하는 집전체, 집전체 상에 형성되는 규소 흑연 애노드, 규소 흑연 애노드 상에 형성되는 리튬 금속의 막, 및 리튬 금속의 막 상에 형성되는 보호 막을 포함한다. 보호 막은, 리튬-이온 전도성 세라믹, 리튬-이온 전도성 유리, 이온 전도성 중합체, 이온 전도성 액정, 이들의 복합물 조합들, 또는 이들의 단위 층 조합들을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 리튬-이온 전도성 물질이다.In another implementation, an anode electrode structure is provided. The anode electrode structure includes a current collector containing copper, a silicon graphite anode formed on the current collector, a film of lithium metal formed on the silicon graphite anode, and a protective film formed on the film of lithium metal. The protective film is a lithium-ion conductive material selected from the group comprising lithium-ion conductive ceramic, lithium-ion conductive glass, ion conductive polymer, ion conductive liquid crystal, composite combinations thereof, or unit layer combinations thereof.
또 다른 구현에서, 애노드 전극 구조가 제공된다. 애노드 전극 구조는, 구리를 포함하는 집전체, 집전체 상에 형성되는 리튬 금속 막, 및 리튬 금속 막 상에 형성되는 보호 막 적층체를 포함한다. 보호 막 적층체는, 리튬 금속 막 상에 형성되는 보호 막, 보호 막 상에 형성되는 제1 중합체 막, 제1 중합체 막 상에 형성되는 세라믹 막, 및 세라믹 막 상에 형성되는 제2 중합체 막을 포함한다. 보호 막은, 플루오린화리튬(LiF), 산화알루미늄, 비스무트 칼코게나이드, 구리 칼코게나이드, 탄산리튬(Li2CO3), 및 이들의 조합들의 그룹으로부터 선택된다.In another implementation, an anode electrode structure is provided. The anode electrode structure includes a current collector including copper, a lithium metal film formed on the current collector, and a protective film laminate formed on the lithium metal film. The protective film laminate includes a protective film formed on the lithium metal film, a first polymer film formed on the protective film, a ceramic film formed on the first polymer film, and a second polymer film formed on the ceramic film do. The protective film is selected from the group of lithium fluoride (LiF), aluminum oxide, bismuth chalcogenide, copper chalcogenide, lithium carbonate (Li 2 CO 3 ), and combinations thereof.
또 다른 구현에서, 애노드 전극 구조가 제공된다. 애노드 전극 구조는, 구리를 포함하는 집전체, 집전체 상에 형성되는 리튬 금속 막, 및 리튬 금속 막 상에 형성되는 보호 막 적층체를 포함한다. 보호 막 적층체는, 리튬 금속 막 상에 형성되는 제1 중합체 막, 제1 중합체 막 상에 형성되는 유전체 막, 및 세라믹 막 상에 형성되는 제2 중합체 막을 포함한다.In another implementation, an anode electrode structure is provided. The anode electrode structure includes a current collector including copper, a lithium metal film formed on the current collector, and a protective film laminate formed on the lithium metal film. The protective film laminate includes a first polymer film formed on the lithium metal film, a dielectric film formed on the first polymer film, and a second polymer film formed on the ceramic film.
또 다른 구현에서, 애노드 전극 구조가 제공된다. 애노드 전극 구조는, 구리를 포함하는 집전체, 집전체 상에 형성되는 리튬 금속 막, 및 리튬 금속 막 상에 형성되는 보호 막 적층체를 포함한다. 보호 막 적층체는, 리튬 금속 막 상에 형성되는 구리 막, 구리 막 상에 형성되는 유전체 막, 및 유전체 막 상에 형성되는 중합체 막을 포함한다.In another implementation, an anode electrode structure is provided. The anode electrode structure includes a current collector including copper, a lithium metal film formed on the current collector, and a protective film laminate formed on the lithium metal film. The protective film laminate includes a copper film formed on a lithium metal film, a dielectric film formed on the copper film, and a polymer film formed on the dielectric film.
또 다른 구현에서, 방법이 제공된다. 방법은, 집전체 상에 리튬 금속 막을 형성하는 단계를 포함한다. 집전체는 구리를 포함한다. 방법은, 리튬 금속 막 상에 구리 막을 형성하는 단계, 및 구리 막 상에 형성되는 보호 막을 형성하는 단계를 더 포함한다. 보호 막은, 리튬-이온 전도성 세라믹, 리튬-이온 전도성 유리, 이온 전도성 중합체, 이온 전도성 액정, 이들의 복합물 조합들, 또는 이들의 단위 층 조합들을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 리튬-이온 전도성 막이다.In another implementation, a method is provided. The method includes forming a lithium metal film on a current collector. The current collector contains copper. The method further includes forming a copper film on the lithium metal film, and forming a protective film formed on the copper film. The protective film is a lithium-ion conductive film selected from the group comprising lithium-ion conductive ceramic, lithium-ion conductive glass, ion conductive polymer, ion conductive liquid crystal, composite combinations thereof, or unit layer combinations thereof.
또 다른 구현에서, 방법이 제공된다. 방법은, 집전체 상에 규소 흑연 막을 형성하는 단계를 포함한다. 집전체는 구리를 포함한다. 방법은, 규소 흑연 애노드 상에 리튬 금속의 막을 형성하는 단계, 및 리튬 금속의 막 상에 보호 막을 형성하는 단계를 더 포함한다. 보호 막은, 리튬-이온 전도성 세라믹, 리튬-이온 전도성 유리, 이온 전도성 중합체, 이온 전도성 액정, 이들의 복합물 조합들, 또는 이들의 단위 층 조합들을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 리튬-이온 전도성 물질이다.In another implementation, a method is provided. The method includes forming a silicon graphite film on a current collector. The current collector contains copper. The method further includes forming a film of lithium metal on the silicon graphite anode, and forming a protective film on the film of lithium metal. The protective film is a lithium-ion conductive material selected from the group comprising lithium-ion conductive ceramic, lithium-ion conductive glass, ion conductive polymer, ion conductive liquid crystal, composite combinations thereof, or unit layer combinations thereof.
또 다른 구현에서, 방법이 제공된다. 방법은, 집전체 상에 리튬 금속 막을 형성하는 단계를 포함한다. 집전체는 구리를 포함한다. 방법은, 리튬 금속 막 상에 보호 막 적층체를 형성하는 단계를 더 포함한다. 보호 막 적층체는, 리튬 금속 막 상에 보호 막을 형성하는 것, 보호 막 상에 형성되는 제1 중합체 막을 형성하는 것, 제1 중합체 막 상에 형성되는 세라믹 막을 형성하는 것, 및 세라믹 막 상에 제2 중합체 막을 형성하는 것을 포함한다. 보호 막은, 플루오린화리튬(LiF), 산화알루미늄, 비스무트 칼코게나이드, 구리 칼코게나이드, 탄산리튬(Li2CO3), 및 이들의 조합들의 그룹으로부터 선택된다.In another implementation, a method is provided. The method includes forming a lithium metal film on a current collector. The current collector contains copper. The method further includes forming a protective film laminate on the lithium metal film. The protective film laminate includes forming a protective film on a lithium metal film, forming a first polymer film formed on the protective film, forming a ceramic film formed on the first polymer film, and on the ceramic film and forming a second polymer film. The protective film is selected from the group of lithium fluoride (LiF), aluminum oxide, bismuth chalcogenide, copper chalcogenide, lithium carbonate (Li 2 CO 3 ), and combinations thereof.
또 다른 구현에서, 방법이 제공된다. 방법은, 집전체 상에 리튬 금속 막을 형성하는 단계를 포함한다. 집전체는 구리를 포함한다. 방법은, 리튬 금속 막 상에 보호 막 적층체를 형성하는 단계를 더 포함한다. 보호 막 적층체는, 리튬 금속 막 상에 제1 중합체 막을 형성하는 것, 제1 중합체 막 상에 유전체 막을 형성하는 것, 및 유전체 막 상에 제2 중합체 막을 형성하는 것을 포함한다.In another implementation, a method is provided. The method includes forming a lithium metal film on a current collector. The current collector contains copper. The method further includes forming a protective film laminate on the lithium metal film. The protective film laminate includes forming a first polymer film on a lithium metal film, forming a dielectric film on the first polymer film, and forming a second polymer film on the dielectric film.
또 다른 구현에서, 방법이 제공된다. 방법은, 집전체 상에 리튬 금속 막을 형성하는 단계를 포함한다. 집전체는 구리를 포함한다. 방법은, 리튬 금속 막 상에 보호 막 적층체를 형성하는 단계를 더 포함한다. 보호 막 적층체는, 리튬 금속 막 상에 금속 막을 형성하는 것, 제1 중합체 막 상에 유전체 막을 형성하는 것, 및 유전체 막 상에 중합체 막을 형성하는 것을 포함한다.In another implementation, a method is provided. The method includes forming a lithium metal film on a current collector. The current collector contains copper. The method further includes forming a protective film laminate on the lithium metal film. The protective film laminate includes forming a metal film on a lithium metal film, forming a dielectric film on a first polymer film, and forming a polymer film on the dielectric film.
본 개시내용의 상기 인용된 특징들이 상세하게 이해될 수 있는 방식으로, 위에서 간략하게 요약된 구현들의 보다 구체적인 설명이 구현들을 참조하여 이루어질 수 있으며, 이러한 구현들 중 일부가 첨부된 도면들에 예시되어 있다. 그러나, 첨부된 도면들은 본 개시내용의 단지 전형적인 구현들을 예시하는 것이므로 본 개시내용의 범위를 제한하는 것으로 간주되지 않아야 한다는 것이 유의되어야 하는데, 이는 본 개시내용이 다른 균등하게 유효한 구현들을 허용할 수 있기 때문이다.
도 1은, 본원에 설명된 구현들에 따라 형성되는 전극 구조를 포함하는 에너지 저장 디바이스의 일 구현의 개략적인 단면도를 예시한다.
도 2는, 본원에 설명된 구현들에 따라 형성되는 양면 애노드 전극 구조의 일 구현의 개략적인 단면도를 예시한다.
도 3은, 본원에 설명된 구현들에 따라 형성되는 양면 애노드 전극 구조의 다른 구현의 단면도를 예시한다.
도 4는, 본원에 설명된 구현들에 따라 형성되는 양면 애노드 전극 구조의 또 다른 구현의 단면도를 예시한다.
도 5는, 본원에 설명된 구현들에 따라 형성되는 양면 애노드 전극 구조의 또 다른 구현의 단면도를 예시한다.
도 6은, 본원에 설명된 구현들에 따라 형성되는 양면 애노드 전극 구조의 또 다른 구현의 단면도를 예시한다.
도 7은, 본원에 설명된 구현들에 따라 애노드 전극 구조를 형성하기 위한 방법의 일 구현을 요약하는 공정 흐름도를 예시한다.
도 8은, 본원에 설명된 구현들에 따라 애노드 전극 구조를 형성하기 위한 방법의 일 구현을 요약하는 공정 흐름도를 예시한다.
도 9는, 본원에 설명된 구현들에 따라 애노드 전극 구조를 형성하기 위한 방법의 일 구현을 요약하는 공정 흐름도를 예시한다.
도 10은, 본원에 설명된 구현들에 따라 애노드 전극 구조를 형성하기 위한 방법의 일 구현을 요약하는 공정 흐름도를 예시한다.
도 11은, 본원에 설명된 구현들에 따라 애노드 전극 구조를 형성하기 위한 방법의 일 구현을 요약하는 공정 흐름도를 예시한다.
도 12는, 본원에 설명된 구현들에 따라 애노드 전극 구조들을 형성하기 위한 통합 처리 툴의 개략도를 예시한다.
이해를 용이하게 하기 위해서, 도면들에 공통된 동일한 요소들을 지정하기 위해 가능한 경우 동일한 참조 번호들이 사용되었다. 일 구현의 요소들 및 특징들은 추가적인 언급이 없이도 다른 구현들에 유익하게 포함될 수 있는 것으로 고려된다.In such a way that the above recited features of the disclosure may be understood in detail, a more specific description of the implementations briefly summarized above may be made with reference to implementations, some of which are illustrated in the accompanying drawings, have. It should be noted, however, that the appended drawings illustrate only typical implementations of the present disclosure and are not to be considered limiting of the scope of the present disclosure, as the present disclosure may admit to other equally effective implementations. Because.
1 illustrates a schematic cross-sectional view of one implementation of an energy storage device including an electrode structure formed in accordance with implementations described herein.
2 illustrates a schematic cross-sectional view of one implementation of a double-sided anode electrode structure formed in accordance with implementations described herein.
3 illustrates a cross-sectional view of another implementation of a double-sided anode electrode structure formed in accordance with implementations described herein.
4 illustrates a cross-sectional view of another implementation of a double-sided anode electrode structure formed in accordance with implementations described herein.
5 illustrates a cross-sectional view of another implementation of a double-sided anode electrode structure formed in accordance with implementations described herein.
6 illustrates a cross-sectional view of another implementation of a double-sided anode electrode structure formed in accordance with implementations described herein.
7 illustrates a process flow diagram summarizing one implementation of a method for forming an anode electrode structure in accordance with implementations described herein.
8 illustrates a process flow diagram summarizing one implementation of a method for forming an anode electrode structure in accordance with implementations described herein.
9 illustrates a process flow diagram summarizing one implementation of a method for forming an anode electrode structure in accordance with implementations described herein.
10 illustrates a process flow diagram summarizing one implementation of a method for forming an anode electrode structure in accordance with implementations described herein.
11 illustrates a process flow diagram summarizing one implementation of a method for forming an anode electrode structure in accordance with implementations described herein.
12 illustrates a schematic diagram of an integrated processing tool for forming anode electrode structures in accordance with implementations described herein.
To facilitate understanding, the same reference numbers have been used wherever possible to designate like elements common to the drawings. It is contemplated that elements and features of one implementation may be beneficially incorporated in other implementations without further recitation.
다음의 개시내용은 애노드 전극들, 전술된 애노드 전극들을 포함하는 고성능 전기화학적 셀들 및 배터리들, 및 이를 제조하기 위한 방법들을 설명한다. 본 개시내용의 다양한 구현들의 철저한 이해를 제공하기 위해, 다음의 설명 및 도 1-12에서는 특정 세부사항들이 설명된다. 다양한 구현들의 설명을 불필요하게 불명료하게 하는 것을 피하기 위해, 전기화학적 셀들 및 배터리들과 종종 연관되는 잘 알려진 구조들 및 시스템들을 설명하는 다른 세부사항들은 다음의 개시내용에서 기재되지 않는다.The following disclosure describes anode electrodes, high performance electrochemical cells and batteries comprising the anode electrodes described above, and methods for making the same. To provide a thorough understanding of various implementations of the present disclosure, certain details are set forth in the following description and in FIGS. 1-12 . To avoid unnecessarily obscuring the description of various implementations, other details describing well-known structures and systems often associated with electrochemical cells and batteries are not set forth in the following disclosure.
도면들에서 도시되는 세부사항들, 치수들, 각도들, 및 다른 특징들 중 다수는, 단지 특정한 구현들의 예시일 뿐이다. 따라서, 다른 구현들은, 본 개시내용의 사상 또는 범위로부터 벗어나지 않으면서, 다른 세부사항들, 구성요소들, 치수들, 각도들, 및 특징들을 가질 수 있다. 게다가, 하기에서 설명되는 세부사항들 중 몇몇이 없이도, 본 개시내용의 추가적인 구현들이 실시될 수 있다.Many of the details, dimensions, angles, and other features shown in the drawings are merely examples of specific implementations. Accordingly, other implementations may have other details, components, dimensions, angles, and features without departing from the spirit or scope of the present disclosure. Moreover, additional implementations of the present disclosure may be practiced without some of the details set forth below.
본원에 설명된 구현들은, 탑멧(TopMet™), 스마트웹(SMARTWEB®), 탑빔(TopBeam™)과 같은 릴-투-릴 코팅 시스템을 참조하여 아래에서 설명될 것이며, 이들 전부는 캘리포니아 주 산타 클라라의 어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드(Applied Materials, Inc.)로부터 입수가능하다. 물리 기상 증착 공정들(예컨대, 고속 증발 공정들 및 마그네트론 스퍼터링 공정들)을 수행할 수 있는 다른 툴들이 또한 본원에 설명된 구현들로부터 이익을 얻도록 적응될 수 있다. 게다가, 본원에 설명된 물리 기상 증착 공정들을 가능하게 하는 임의의 시스템이 유리하게 사용될 수 있다. 본원에 설명된 장치 설명은 예시적이며, 본원에 설명된 구현들의 범위를 제한하는 것으로서 해석되거나 이해되어서는 안 된다. 또한, 릴-투-릴 공정으로서 설명되어 있지만, 본원에서 설명된 구현들은 또한 별개의 기판들 상에서 수행될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.Implementations described herein will be described below with reference to reel-to-reel coating systems such as TopMet™, SMARTWEB®, TopBeam™, all of which are in Santa Clara, CA. is available from Applied Materials, Inc. of Other tools capable of performing physical vapor deposition processes (eg, rapid evaporation processes and magnetron sputtering processes) may also be adapted to benefit from the implementations described herein. Moreover, any system that enables the physical vapor deposition processes described herein may be advantageously used. The device description set forth herein is exemplary and should not be construed or construed as limiting the scope of the implementations described herein. Also, although described as a reel-to-reel process, it should be understood that the implementations described herein may also be performed on separate substrates.
에너지 저장 디바이스들, 예컨대, 배터리들은 전형적으로, 양의 전극, 다공성 분리기에 의해 분리된 애노드 전극, 및 이온 전도성 매트릭스로서 사용되는 전해질로 이루어진다. 흑연 애노드들은 현재 최신기술이지만, 업계는, 셀 에너지 밀도를 증가시키기 위해 흑연질 기재 애노드에서 규소 블렌딩된 흑연으로 이동하고 있다. 그러나, 규소 블렌딩된 흑연 애노드들은 종종, 제1 사이클 동안 발생하는 비가역적 용량 손실로 인해 어려움을 겪는다. 따라서, 이러한 제1 사이클 용량 손실을 보충하기 위한 방법들에 대한 필요성이 존재한다.Energy storage devices, such as batteries, typically consist of a positive electrode, an anode electrode separated by a porous separator, and an electrolyte used as an ionically conductive matrix. Graphite anodes are currently state of the art, but the industry is moving away from graphitic based anodes to silicon blended graphite to increase cell energy density. However, silicon blended graphite anodes often suffer from irreversible capacity loss that occurs during the first cycle. Accordingly, a need exists for methods to compensate for this first cycle capacity loss.
규소 블렌딩된 흑연 애노드의 이러한 제1 사이클 용량 손실을 보충하기 위한 하나의 그러한 방법은 리튬 금속의 증착이다. 리튬 금속 증착을 위한 다수의 방법들(예컨대, 열 증발, 적층, 인쇄 등)이 존재하지만, 특히, 대량 제조 환경에서, 디바이스 적층 전에 스풀 상에 증착된 리튬 금속의 처리가 다루어질 필요가 있다. 일 구현에서, 리튬 애노드 디바이스들을 형성하기 위한 방법들 및 시스템들이 제공된다.One such method to compensate for this first cycle capacity loss of a silicon blended graphite anode is the deposition of lithium metal. Although a number of methods exist for lithium metal deposition (eg, thermal evaporation, lamination, printing, etc.), particularly in high-volume manufacturing environments, processing of lithium metal deposited on a spool prior to device lamination needs to be addressed. In one implementation, methods and systems are provided for forming lithium anode devices.
본원에 설명된 구현들을 사용하여, 증착된 리튬 금속은, 단면이든 양면이든, 하류에서의 릴들의 권취 및 권출 동안 보호될 수 있다. Li-이온 전도성 중합체들, 이온 전도성 세라믹들, 또는 이온 전도성 유리의 박막들의 증착은 몇몇 이점들을 갖는다. 첫째, 리튬 금속을 함유하는 전극들의 릴들이, 리튬 금속이 인접 전극들에 접촉함이 없이 권취 및 권출될 수 있다. 둘째, 리튬 금속의 더 양호한 셀 성능 및 높은 전기화학적 활용을 위한 안정한 고체 전해질 계면(SEI)이 설정된다. 보호 층은 또한, 특히, 높은 전류 밀도 동작에서, 리튬 수지상정을 억제하거나 제거하는 것을 도울 수 있다. 게다가, 보호 막들의 사용은, 제조 시스템들의 복잡도를 감소시키고 현재 제조 시스템들과 상용가능하다.Using implementations described herein, the deposited lithium metal, whether single-sided or double-sided, can be protected during winding and unwinding of reels downstream. Deposition of thin films of Li-ion conducting polymers, ion conducting ceramics, or ion conducting glass has several advantages. First, reels of electrodes containing lithium metal can be wound and unwound without lithium metal contacting adjacent electrodes. Second, a stable solid electrolyte interface (SEI) for better cell performance and high electrochemical utilization of lithium metal is established. The protective layer may also help inhibit or remove lithium dendrites, particularly in high current density operation. In addition, the use of protective films reduces the complexity of manufacturing systems and is compatible with current manufacturing systems.
도 1은, 본원에 설명된 구현들에 따라 형성되는 애노드 전극 구조를 포함하는 에너지 저장 디바이스(100)의 일 구현의 개략적인 단면도를 예시한다. 에너지 저장 디바이스(100)는, 평면형 구조로 도시되어 있다 하더라도, 층들의 적층체를 롤링함으로써 원통형으로 또한 형성될 수 있으며, 또한, 다른 셀 구성들(예컨대, 프리즘형 셀들, 버튼형 셀들, 또는 적층형 전극 셀들)이 형성될 수 있다. 에너지 저장 디바이스(100)는, 분리기 막(130)이 사이에 배치되는 애노드 전극 구조(110)와 캐소드 전극 구조(120)를 포함한다. 캐소드 전극 구조(120)는, 캐소드 집전체(140) 및 캐소드 막(150)을 포함한다. 애노드 전극 구조(110)는, 애노드 집전체(160), 애노드 막(170)과, 보호 막(175), 리튬-이온 전도성 중합체 막(180), 세라믹 코팅(185), 및 접합 다공성 중합체 막(190) 중 적어도 하나를 포함한다.1 illustrates a schematic cross-sectional view of one implementation of an
캐소드 전극 구조(120)는, 캐소드 집전체(140)와 캐소드 집전체(140) 상에 형성된 캐소드 막(150)을 포함한다. 캐소드 전극 구조(120)는 다른 요소들 또는 막들을 포함할 수 있다는 것이 이해되어야 한다.The
각각 캐소드 막(150) 및 애노드 막(170) 상에 있는 집전체들(140, 160)은 동일한 전자 전도체들이거나 상이한 전자 전도체들일 수 있다. 집전체들(140, 160)을 구성할 수 있는 금속들의 예들은, 알루미늄(Al), 구리(Cu), 아연(Zn), 니켈(Ni), 코발트(Co), 망가니즈(Mn), 크로뮴(Cr), 스테인리스 강, 클래드 물질들, 이들의 합금들, 및 이들의 조합들을 포함한다. 일 구현에서, 집전체들(140, 160) 중 적어도 하나는 천공된다. 일 구현에서, 집전체들(140, 160) 중 적어도 하나는, 금속성 물질로 코팅된 폴리에틸렌 테레프탈레이트("PET") 중합체 기판을 포함한다. 일 구현에서, 애노드 집전체(160)는 구리로 코팅된 PET 막이다. 다른 구현에서, 애노드 집전체(160)는 PET 상의 다중-금속 층이다. 다중-금속 층은, 구리, 크로뮴, 니켈 등의 조합들일 수 있다. 일 구현에서, 애노드 집전체(160)는, 구리-니켈 클래딩 물질을 포함하는 다중-층 구조이다. 일 구현에서, 다중-층 구조는, 니켈 또는 크로뮴의 제1 층, 제1 층 상에 형성되는 구리의 제2 층, 및 제2 층 상에 형성되는 니켈, 크로뮴, 또는 둘 모두를 포함하는 제3 층을 포함한다. 일 구현에서, 애노드 집전체(160)는 니켈 코팅된 구리이다. 또한, 집전체들은, 임의의 폼 팩터(예컨대, 금속성 포일, 시트, 또는 평판), 형상, 및 마이크로/매크로 구조를 가질 수 있다. 일반적으로, 프리즘형 셀들에서, 탭(tab)들은 집전체와 동일한 물질로 형성되며, 적층체의 제조 동안 형성되거나 나중에 부가될 수 있다. 일부 구현들에서, 집전체들은 적층체를 넘어 연장되고, 적층체를 넘어 연장되는 집전체의 부분들은 탭들로서 사용될 수 있다. 집전체들(140 및 160)을 제외한 모든 구성요소들이 리튬 이온 전해질들을 함유한다. 일 구현에서, 캐소드 집전체(140)는 알루미늄이다. 다른 구현에서, 캐소드 집전체(140)는 PET 막 상에 증착된 알루미늄을 포함한다. 일 구현에서, 캐소드 집전체(140)는, 약 0.5 ㎛ 내지 약 20 ㎛(예컨대, 약 1 ㎛ 내지 약 10 ㎛; 약 2 ㎛ 내지 약 8 ㎛; 또는 약 5 ㎛ 내지 약 10 ㎛)의 두께를 갖는다. 일 구현에서, 애노드 집전체(160)는 구리이다. 일 구현에서, 애노드 집전체(160)는, 약 0.5 ㎛ 내지 약 20 ㎛(예컨대, 약 1 ㎛ 내지 약 10 ㎛; 약 2 ㎛ 내지 약 8 ㎛; 약 6 ㎛ 내지 약 12 ㎛; 또는 약 5 ㎛ 내지 약 10 ㎛)의 두께를 갖는다.The
캐소드 막(150) 또는 캐소드는, 애노드와 상용가능한 임의의 물질일 수 있고, 층간(intercalation) 화합물, 삽입 화합물, 또는 전기화학적으로 활성인 중합체를 포함할 수 있다. 적합한 층간 물질들은, 예컨대, 리튬 함유 금속 산화물들, MoS2, FeS2, BiF3, Fe2OF4, MnO2, TiS2, NbSe3, LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2, LiMn2O4, V6O13, 및 V2O5를 포함한다. 적합한 중합체들은, 예컨대, 폴리아세틸렌, 폴리피롤, 폴리아닐린, 및 폴리티오펜을 포함한다. 캐소드 막(150) 또는 캐소드는, 리튬 코발트 산화물과 같은 층상(layered) 산화물, 리튬 철 인산염과 같은 감람석, 또는 리튬 망가니즈 산화물과 같은 스피넬로 만들어질 수 있다. 예시적인 리튬 함유 산화물들은, 층상, 이를테면 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 또는 혼합된 금속 산화물들, 이를테면 LiNixCo1-2xMnO2, LiNiMnCoO2("NMC"), LiNi0.5Mn1.5O4, Li(Ni0.8Co0.15Al0.05)O2, LiMn2O4, 및 도핑된 리튬 풍부 층상-층상 물질들일 수 있으며, 여기서 x는 영(zero) 또는 영이 아닌 수이다. 예시적인 인산염들은 철 감람석(LiFePO4)일 수 있고, 그 변형물들(이를테면, LiFe(1-x)MgxPO4), LiMoPO4, LiCoPO4, LiNiPO4, Li3V2(PO4)3, LiVOPO4, LiMP2O7, 또는 LiFe1.5P2O7이고, 여기서 x는 영 또는 영이 아닌 수이다. 예시적인 플루오로인산염들은, LiVPO4F, LiAlPO4F, Li5V(PO4)2F2, Li5Cr(PO4)2F2, Li2CoPO4F, 또는 Li2NiPO4F일 수 있다. 예시적인 규산염들은 Li2FeSiO4, Li2MnSiO4, 또는 Li2VOSiO4일 수 있다. 예시적인 비-리튬 화합물은 Na5V2(PO4)2F3이다.The
애노드 전극 구조(110)는, 애노드 집전체(160)와 애노드 집전체(160) 상에 형성된 애노드 막(170)을 포함한다. 애노드 전극 구조(110)는 임의적으로, 보호 막(175), 리튬-이온 전도성 중합체 막(180), 세라믹 코팅(185), 및 접합 다공성 중합체 막(190) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 도 1에 도시된 구현에서, 보호 막(175)은 애노드 막(170) 상에 형성된다. 리튬-이온 전도성 중합체 막(180)의 막은 보호 막(175) 상에 형성된다. 세라믹 코팅(185)은 리튬-이온 전도성 중합체 막(180) 상에 형성된다. 접합 다공성 중합체 막(190)은 분리기 막(130)과 애노드 막(170) 사이에 형성된다.The
애노드 막(170)은 캐소드 막(150)과 상용가능한 임의의 물질일 수 있다. 애노드 막(170)은, 372 mAh/g보다 크거나 같은 에너지 용량, 바람직하게는 ≥ 700 mAh/g인 에너지 용량, 및 가장 바람직하게는 ≥ 1000 mAh/g인 에너지 용량을 가질 수 있다. 애노드 막(170)은, 흑연, 규소 함유 흑연, 리튬 금속, 리튬 금속 포일 또는 리튬 합금 포일(예컨대, 리튬 알루미늄 합금들), 또는 리튬 금속 및/또는 리튬 합금과, 탄소(예컨대, 코크스, 흑연), 니켈, 구리, 주석, 인듐, 규소, 이들의 산화물들과 같은 물질들의 혼합물 또는 이들의 조합들로 구성될 수 있다. 애노드 막(170)은 전형적으로, 리튬을 함유하는 층간 화합물들, 또는 리튬을 함유하는 삽입 화합물들을 포함한다. 애노드 막(170)이 리튬 금속을 포함하는 일부 구현들에서, 리튬 금속은 본원에 설명된 방법들을 사용하여 증착될 수 있다.The
일 구현에서, 애노드 막(170)은, 약 10 ㎛ 내지 약 200 ㎛(예컨대, 약 1 ㎛ 내지 약 100 ㎛; 약 10 ㎛ 내지 약 30 ㎛; 약 20 ㎛ 내지 약 30 ㎛; 약 1 ㎛ 내지 약 20 ㎛; 또는 약 50 ㎛ 내지 약 100 ㎛)의 두께를 갖는다. 일 구현에서, 애노드 막(170)은 리튬 금속 막이다.In one implementation, the
일부 구현들에서, 보호 막(175)은 애노드 막(170) 상에 형성된다. 보호 막(175)은, 플루오린화리튬(LiF), 금속 막(예컨대, 구리, 비스무트, 주석, 또는 이들의 조합들), 구리 칼코게나이드(예컨대, CuS, Cu2Se, Cu2S), 비스무트 칼코게나이드(예컨대, Bi2Te3, Bi2Se3), 및 탄산리튬(Li2CO3) 중 적어도 하나를 포함한다. 일부 구현들에서, 보호 막(175)은, 리튬 이온들 및 리튬 원자들 중 적어도 하나에 대해 투과성이다. 보호 막(175)은 애노드 막(170)의 표면 보호를 제공하며, 이는, 드라이 룸에서의 애노드 막의 처리를 허용한다. 이론에 얽매이는 것은 아니지만, 보호 막(175)은 디바이스 제조 동안 Li-전도성 전해질을 취하여 겔을 형성할 수 있고, 이는, 양호한 고체 전해질 계면(SEI)을 형성하는 데 유익하고 또한 저항을 낮추는 데 도움이 되는 것으로 여겨진다. 에너지 저장 디바이스(100)가 솔리드 스테이트 에너지 저장 디바이스인 일부 구현들에서, 보호 막(175)은, 더 양호한 SEI를 구축하고 디바이스 성능을 개선하는 것을 돕는다. 보호 막(175)은, 물리 기상 증착(PVD), 이를테면, 증발 또는 스퍼터링, 원자 층 증착(ALD), 슬롯-다이 공정, 딥 코팅, 박막 전사 공정, 그라비어 코팅, 또는 3차원 리튬 인쇄 공정에 의해 애노드 막(170) 상에 직접 증착될 수 있다. PVD는, 보호 막(175)의 증착에 대한 바람직한 방법이다.In some implementations, the
일부 구현들에서, 보호 막(175)은 금속 막이다. 금속 막은 초박형 금속 시드 막일 수 있다. 금속 막은 구리 막일 수 있다. 구리 막은 초박형 구리 막일 수 있다.In some implementations, the
보호 막(175)은 1 나노미터 내지 2,000 나노미터 범위(예컨대, 10 나노미터 내지 600 나노미터 범위; 50 나노미터 내지 100 나노미터 범위; 50 나노미터 내지 200 나노미터 범위; 100 나노미터 내지 150 나노미터 범위)의 두께를 갖는 코팅 또는 별개의 막일 수 있다. 보호 막(175)은 1 미크론 내지 50 미크론 범위(예컨대, 1 미크론 내지 25 미크론 범위)의 두께를 갖는 별개의 막일 수 있다.The
보호 막(175)은 다공성일 수 있다. 일부 구현들에서, 보호 막(175)은 나노-세공들을 갖는다. 일 구현에서, 보호 막(175)은, 약 10 나노미터 미만(예컨대, 약 1 나노미터 내지 약 10 나노미터; 약 3 나노미터 내지 약 5 나노미터)의 평균 세공 크기 또는 직경을 갖도록 크기가 정해지는 복수의 나노-세공들을 갖는다. 다른 구현에서, 보호 막(175)은, 약 5 나노미터 미만의 평균 세공 크기 또는 직경을 갖도록 크기가 정해진 복수의 나노-세공들을 갖는다. 일 구현에서, 보호 막(175)은, 약 1 나노미터 내지 약 20 나노미터(예컨대, 약 2 나노미터 내지 약 15 나노미터; 또는 약 5 나노미터 내지 약 10 나노미터) 범위의 직경을 갖는 복수의 나노-세공들을 갖는다.The
일부 구현들에서, 리튬-이온 전도성 중합체 막(180)이 보호 막(175) 상에 형성된다. 이론에 얽매이는 것은 아니지만, 리튬-이온 전도성 중합체 막(180)은 리튬 이온들을 전도할 뿐만 아니라 애노드 막(170)을 형성할 수 있는 임의의 수지상정들을 차단하는 것으로 여겨진다. 리튬-이온 전도성 중합체 막(180)을 형성하는 데 사용될 수 있는 이온-전도성 중합체들의 예들은, 폴리비닐리덴 디플루오라이드(PVDF), 폴리에틸렌 옥시드(PEO), 에틸렌 옥시드(EO), 폴리-아크릴로니트릴(PAN), 숙시노니트릴(C2H4(CN)2), 2,3-디클로로-5,6-디시아노-1,4-벤조퀴논, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리(황-랜덤)-트리알릴아민, 폴리에테르 에테르 케톤(PEEK), 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC), 스티렌 부타디엔 고무(SBR) 이온성 액체들 및 이들의 조합들을 포함하지만 이에 제한되지는 않는다.In some implementations, a lithium-ion
일부 구현들에서, 세라믹 코팅(185)은 리튬-이온 전도성 중합체 막(180) 상에 형성된다. 세라믹 코팅(185)은 하나 이상의 유전체 물질을 포함한다. 유전체 물질은 세라믹 물질일 수 있다. 세라믹 물질은 산화물일 수 있다. 세라믹 물질은, 예컨대, 산화알루미늄(Al2O3), AlOx, AlOxNy, 옥시수산화알루미늄(AlO(OH)), AlN(질소 환경에서 증착된 알루미늄), 탄산칼슘(CaCO3), 이산화티타늄(TiO2), 산화니오븀(Nb2O5), SiS2, SiPO4, 산화규소(SiO2), 산화지르코늄(ZrO2), MgO, TiO2, Ta2O5, Nb2O5, LiAlO2, LiNbO3, LiTaO3, Li2NbO3, BaTiO3, BN, 이온 전도성 가넷, 이온 전도성 페로브스카이트, 이온 전도성 반-페로브스카이트(anti-perovskite)들, 다공성 유리 세라믹 등, 또는 이들의 조합들로부터 선택될 수 있다. 일 구현에서, 세라믹 물질은, 다공성 산화알루미늄, 다공성 ZrO2, 다공성 SiO2, 다공성 MgO, 다공성 TiO2, 다공성 Ta2O5, 다공성 Nb2O5, 다공성 LiAlO2, 다공성 LiNbO3, 다공성 LiTaO3, 다공성 Li2NbO3, 다공성 BaTiO3, 이온 전도성 가넷, 반-이온 전도성(anti-ion-conducting) 페로브스카이트들, Li2S-P2S5 유리, 다공성 유리 유전체, 또는 이들의 조합들로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 물질이다. 세라믹 코팅(185)은 결합제가 없는 유전체 막이다. 일부 구현들에서, 세라믹 코팅(185)은 다공성 산화알루미늄 막이다.In some implementations, the
세라믹 코팅(185)은, 리튬-이온 전도성 세라믹 또는 리튬-이온 전도성 유리일 수 있다. Li-이온 전도성 물질은, 예컨대, LiPON, Li7La3Zr2O12의 결정질 또는 비정질 상들의 도핑된 변형물들, 도핑된 반-페로브스카이트 조성물들, Li2S-P2S5, Li2S, LiKSO4, Li3P, Li5B7S13, Li10GeP2S12, Li3PS4, LiNH2, LiNO3, 리튬 아미드 수소화붕소(Li(BH4)1-x(NH2)x), 인산리튬 유리들, (1-x)LiI-(x)Li4SnS4, xLiI-(1-x)Li4SnS4, 혼합된 황화물 및 산화물 전해질들(결정질 LLZO, 비정질 (1-x)LiI-(x)Li4SnS4 혼합물, 및 비정질 xLiI-(1-x)Li4SnS4) 중 하나 이상으로 구성될 수 있다. 일 구현에서, x는 0 내지 1(예컨대, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 및 0.9)이다. Li-이온 전도성 물질은, 물리 기상 증착(PVD), 화학 기상 증착(CVD), 분무, 닥터 블레이드, 인쇄 또는 다수의 코팅 방법들 중 임의의 것 중 어느 하나를 사용하여 리튬 금속 막 상에 직접 증착될 수 있다. 일부 구현들에 대한 적합한 방법은 PVD이다. 일부 구현들에서, 세라믹 코팅(185)이 이온 전도성일 필요는 없지만, 일단 전해질(액체, 겔, 고체, 조합 등)로 채워지면, 다공성 기판과 전해질의 조합은 이온 전도성이다.The
일부 구현들에서, 세라믹 코팅(185)은, 지르콘산리튬(Li2ZrO3), LiPON, 가넷-유형 Li7La3Zr2O12의 결정질 또는 비정질 상들, LISICON(예컨대, Li2+2xZn1-xGeO4, 여기서, 0 < x < 1), NASICON(예컨대, Na1+xZr2SixP3-xO12, 여기서, 0 < x < 3), 수소화붕소리튬(LiBH4), 도핑된 반-페로브스카이트 조성물들, 리튬 함유 황화물들(예컨대, Li2S, Li2S-P2S5, Li10GeP2S12 및 Li3PS4), 및 리튬 아기로다이트들(예컨대, LiPS5X, 여기서, x는 Cl, Br 또는 I임)로 이루어진 그룹으로부터 선택된다.In some implementations, the
세라믹 코팅(185)은 1 나노미터 내지 2,000 나노미터 범위(예컨대, 10 나노미터 내지 600 나노미터 범위; 50 나노미터 내지 100 나노미터 범위; 100 나노미터 내지 200 나노미터 범위; 100 나노미터 내지 150 나노미터 범위)의 두께를 가질 수 있다.
일부 구현들에서, 접합 다공성 중합체 막(190)은 세라믹 코팅(185)과 분리기 막(130) 사이에 형성된다. 이론에 얽매이는 것은 아니지만, 접합 다공성 중합체 막(190)은, 애노드 전극 구조(110)와 분리기 막(130)이 함께 결합될 때 이들 사이의 접착력을 개선하는 데 도움이 되는 것으로 여겨진다.In some implementations, the bonded
접합 다공성 중합체 막(190)에 대한 중합체는, Li-이온 배터리 산업에서 현재 사용되는 중합체들로부터 선택될 수 있다. 겔 중합체 막을 형성하는 데 사용될 수 있는 중합체들의 예들은, 폴리비닐리덴 디플루오라이드(PVDF), 폴리에틸렌 옥시드(PEO), 에틸렌 옥시드(EO), 폴리-아크릴로니트릴(PAN), 숙시노니트릴(C2H4(CN)2), 2,3-디클로로-5,6-디시아노-1,4-벤조퀴논, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리에테르 에테르 케톤(PEEK), 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC), 스티렌 부타디엔 고무(SBR) 이온성 액체들 및 이들의 조합들을 포함하지만 이에 제한되지는 않는다. 이론에 얽매이는 것은 아니지만, 접합 다공성 중합체 막(190)은 디바이스 제조 동안 Li-전도성 전해질을 취하여 겔을 형성할 수 있고, 이는, 양호한 고체 전해질 계면(SEI)을 형성하는 데 유익하고 또한 저항을 낮추는 데 도움이 되는 것으로 여겨진다. 일부 구현들에서, 겔 전해질 또는 액정 전해질은, 리튬-이온 전도성 염과 따뜻한 액체들의 혼합물을 사용함으로써 만들어진다. 따뜻한 액체들의 혼합물이 나선형으로 감긴 전극들 또는 적층된 전극들로 주입되어 네트워크 전극 세공들을 채우며, 전해질은 실온에서 고체 또는 겔을 형성한다. 접합 다공성 중합체 막(190)은 딥 코팅, 슬롯-다이 코팅, 그라비어 코팅, 또는 인쇄에 의해 형성될 수 있다. 황 이온들을 갖는 유기 중합체들(예컨대, Li2O 혼합물을 갖는 폴리페닐렌 설파이드)은 리튬 금속 기재 애노드들에 대해 양호한 결과들을 나타냈으며, 일부 경우들에서는, 액정 전해질을 형성한다.The polymer for the bonded
접합 다공성 중합체 막(190)은 5 나노미터 내지 2,000 마이크로미터 범위(예컨대, 10 나노미터 내지 600 나노미터 범위; 50 나노미터 내지 100 나노미터 범위; 100 나노미터 내지 200 나노미터 범위; 100 나노미터 내지 150 나노미터 범위)의 두께를 가질 수 있다.The bonded
분리기 막(130)은 애노드 전극 구조(110)와 캐소드 전극 구조(120) 사이에 형성된다. 분리기 막(130)은, 세공들로 이온들을 전도할 수 있는 다공성(예컨대, 미세-다공성) 중합체성 기판(예컨대, 분리기 막)을 포함한다. 일부 구현들에서, 다공성 중합체성 기판 그 자체가 이온 전도성일 필요는 없지만, 일단 전해질(액체, 겔, 고체, 조합 등)로 채워지면, 다공성 기판과 전해질의 조합은 이온 전도성이다. 일 구현에서, 다공성 중합체성 기판은 다중-막 중합체성 기판이다. 일 구현에서, 세공들은 미세-세공들이다. 일부 구현들에서, 다공성 중합체성 기판은 임의의 상업적으로 입수가능한 중합체성 미세-다공성 멤브레인들(예컨대, 홑겹 또는 여러 겹), 예컨대, 폴리포어(Polypore)(노스캐롤라이나주 샬럿의 셀가드 인코포레이티드(Celgard Inc.)), 도레이 도넨(Toray Tonen)(배터리 분리기 막(BSF)), 에스케이 에너지(SK Energy)(Li-이온 배터리 분리기(LiBS)), 에보닉 인더스트리스(Evonik industries)(세파리온(SEPARION®) 세라믹 분리기 멤브레인), 아사히 카세이(Asahi Kasei)(하이포어(Hipore™) 폴리올레핀 평막 멤브레인), 뒤퐁(DuPont)(에너게인(Energain®)) 등에 의해 생산된 제품들로 이루어진다. 일부 구현들에서, 다공성 중합체성 기판은 20 내지 80 % 범위(예컨대, 28 내지 60 % 범위)의 다공도를 갖는다. 일부 구현들에서, 다공성 중합체성 기판은 0.02 내지 5 미크론 범위(예컨대, 0.08 내지 2 미크론)의 평균 세공 크기를 갖는다. 일부 구현들에서, 다공성 중합체성 기판은 15 내지 150 초 범위의 걸리 수(Gurley Number)를 갖는다. 일부 구현들에서, 다공성 중합체성 기판은 폴리올레핀계이다. 예시적인 폴리올레핀들은, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 또는 이들의 조합들을 포함한다.The
에너지 저장 디바이스(100)가 솔리드 스테이트 배터리인 일부 구현들에서, 분리기 막(130)은 리튬-이온 전도성 유리로 대체된다. 리튬-이온 전도성 물질은, 리튬-이온 전도성 세라믹 또는 리튬-이온 전도성 유리일 수 있다. Li-이온 전도성 물질은, 예컨대, LiPON, Li7La3Zr2O12의 결정질 또는 비정질 상들의 도핑된 변형물들, 도핑된 반-페로브스카이트 조성물들, Li2S-P2S5, Li10GeP2S12, 및 Li3PS4, 인산리튬 유리들, (1-x)LiI-(x)Li4SnS4, xLiI-(1-x)Li4SnS4, 혼합된 황화물 및 산화물 전해질들(결정질 LLZO, 비정질 (1-x)LiI-(x)Li4SnS4 혼합물, 및 비정질 xLiI-(1-x)Li4SnS4) 중 하나 이상으로 구성될 수 있다. 일 구현에서, x는 0 내지 1(예컨대, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 및 0.9)이다.In some implementations where the
애노드 전극 구조(110), 캐소드 전극 구조(120), 및 분리기 막(130)에 주입되는 전해질들은, 액체/겔 또는 고체 중합체로 구성될 수 있고, 각각에서 상이할 수 있다. 일부 구현들에서, 전해질은 주로 염 및 매질을 포함한다(예컨대, 액체 전해질에서, 매질은 용매로 지칭될 수 있고, 겔 전해질에서, 매질은 중합체 매트릭스일 수 있음). 염은 리튬 염일 수 있다. 리튬 염은, 예컨대, LiPF6, LiAsF6, LiCF3SO3, LiN(CF3SO3)3, LiBF6, 및 LiClO4, BETTE 전해질(미네소타 주 미니애폴리스의 3M Corp.로부터 상업적으로 입수가능함), 및 이들의 조합들을 포함할 수 있다. 용매들은, 예컨대, 에틸렌 카르보네이트(EC), 프로필렌 카르보네이트(PC), EC/PC, 2-MeTHF(2-메틸테트라히드로푸란)/EC/PC, EC/DMC(디메틸 카르보네이트), EC/DME(디메틸 에탄), EC/DEC(디에틸 카르보네이트), EC/EMC(에틸 메틸 카르보네이트), EC/EMC/DMC/DEC, EC/EMC/DMC/DEC/PE, PC/DME, 및 DME/PC를 포함할 수 있다. 중합체 매트릭스들은, 예컨대, PVDF(폴리비닐리덴 플루오라이드), PVDF:THF(PVDF:테트라히드로푸란), PVDF:CTFE(PVDF:클로로트리플루오로에틸렌) PAN(폴리아크릴로니트릴), 및 PEO(폴리에틸렌 옥시드)를 포함할 수 있다. 일 구현에서, 전해질은 염 중의 용매이고, 여기서, 용매의 백분율은 전형적인 전해질에서의 용매의 백분율보다 훨씬 더 낮다.The electrolytes injected into the
도 2는, 본원에 설명된 구현들에 따라 형성되는 애노드 전극 구조(200)의 일 구현의 단면도를 예시한다. 도 2에서, 애노드 집전체(160)가 적층체를 넘어 연장되는 것으로 도시되지만, 애노드 집전체(160)가 적층체를 넘어 연장되는 것이 필수적이지는 않으며, 적층체를 넘어 연장되는 부분들은 탭들로서 사용될 수 있다는 것을 유의한다. 애노드 전극 구조(200)가 양면 전극 구조로서 도시되지만, 본원에 설명된 구현들은 단면 전극 구조에 또한 적용된다는 것이 이해되어야 한다.2 illustrates a cross-sectional view of one implementation of an
애노드 전극 구조(200)는, 애노드 집전체(160)와 애노드 집전체(160)의 대향하는 측들 상에 형성된 애노드 막들(170a, 170b)(총칭하여, 170)을 포함한다. 일 구현에서, 애노드 막(170)은 리튬 금속 막이다. 일 구현에서, 애노드 막(170)은 20 마이크로미터 이하(예컨대, 약 1 마이크로미터 내지 약 20 마이크로미터)의 두께를 갖는다. 금속 막(210a, 210b)(총칭하여, 210)이 애노드 막들(170a, 170b) 각각 상에 형성된다. 일 구현에서, 금속 막은, 구리 막, 비스무트 막, 또는 주석 막으로부터 선택된다. 일 구현에서, 금속 막은, 100 나노미터 이하(예컨대, 약 5 나노미터 내지 100 나노미터; 약 5 나노미터 내지 약 40 나노미터; 약 10 나노미터 내지 약 20 나노미터; 또는 약 50 나노미터 내지 약 100 나노미터)의 두께를 갖는 초박형 금속 막이다. 일부 구현들에서, 도 2에 도시된 바와 같이, 금속 막(210)은, 애노드 막(170)의 노출된 표면들(예컨대, 최상부 표면 및 측벽들)을 코팅하여 애노드 집전체(160)와 접촉하도록 연장된다. 보호 막(220a, 220b)(총칭하여, 220)이 금속 막들(210a, 210b) 각각 상에 형성된다. 일부 구현들에서, 보호 막(220)은, 리튬 이온들 및 리튬 원자들 중 적어도 하나에 대해 투과성이다. 일 구현에서, 보호 막(220)은, 리튬-이온 전도성 세라믹, 리튬-이온 전도성 유리, 또는 이온 전도성 액정을 포함하는 그룹으로부터 선택된다. 보호 막(220)은, 5 나노미터 내지 2,000 마이크로미터 범위(예컨대, 10 나노미터 내지 600 나노미터 범위; 50 나노미터 내지 100 나노미터 범위; 100 나노미터 내지 200 나노미터 범위; 100 나노미터 내지 150 나노미터 범위)의 두께를 가질 수 있다.The
도 3은, 본원에 설명된 구현들에 따라 형성되는 애노드 전극 구조(300)의 다른 구현의 단면도를 예시한다. 도 3에서, 애노드 집전체(160)가 적층체를 넘어 연장되는 것으로 도시되지만, 애노드 집전체(160)가 적층체를 넘어 연장되는 것이 필수적이지는 않으며, 적층체를 넘어 연장되는 부분들은 탭들로서 사용될 수 있다는 것을 유의한다. 애노드 전극 구조(300)가 양면 전극 구조로서 도시되지만, 본원에 설명된 구현들은 단면 전극 구조에 또한 적용된다는 것이 이해되어야 한다.3 illustrates a cross-sectional view of another implementation of an
애노드 전극 구조(300)는, 애노드 집전체(160)와 애노드 집전체(160)의 대향하는 측들 상에 형성된 애노드 막들(170a, 170b)(총칭하여, 170)을 포함한다. 일 구현에서, 애노드 막(170)은 규소 흑연 막이다. 일 구현에서, 애노드 막(170)은, 100 마이크로미터 이하(예컨대, 약 1 ㎛ 내지 약 100 ㎛; 약 10 ㎛ 내지 약 30 ㎛; 약 20 ㎛ 내지 약 30 ㎛; 약 3 ㎛ 내지 약 20 ㎛; 또는 약 50 ㎛ 내지 약 100 ㎛)의 두께를 갖는다. 리튬 금속 막(310a, 310b)(총칭하여, 310)이 애노드 막들(170a, 170b) 각각의 최상부 표면(320a, 320b)(총칭하여, 320) 상에 형성된다. 일부 구현들에서, 리튬 금속 막(310)은, 최상부 표면(320) 및 측벽들(330a, 330b)(총칭하여, 330)을 포함하는 애노드 막(170)의 노출된 표면들 상에 형성된다. 리튬 금속 막(310)은, 규소 블렌딩된 흑연 애노드들의 제1 사이클 용량 손실을 보충한다. 리튬 금속 막(310)은, 20 나노미터 이하(예컨대, 약 1 나노미터 내지 약 20 나노미터; 약 1 나노미터 내지 약 10 나노미터; 또는 약 5 나노미터 내지 약 10 나노미터)의 두께를 갖는 초박형 리튬 막이다.The
일부 구현들에서, 도 3에 도시된 바와 같이, 보호 막(340a, 340b)(총칭하여, 340)은, 리튬 금속 막(310)의 노출된 표면들 및 애노드 막(170)의 노출된 표면들(예컨대, 최상부 표면 및 측벽들)을 코팅하여 애노드 집전체(160)와 접촉하도록 연장된다. 일부 구현들에서, 보호 막(340)은, 리튬 이온들 및 리튬 원자들 중 적어도 하나에 대해 투과성이다. 일 구현에서, 보호 막(340)은, 리튬-이온 전도성 세라믹, 리튬-이온 전도성 유리, 또는 이온 전도성 액정을 포함하는 그룹으로부터 선택된다. 보호 막(340)은, 5 나노미터 내지 2,000 마이크로미터 범위(예컨대, 10 나노미터 내지 600 나노미터 범위; 50 나노미터 내지 100 나노미터 범위; 100 나노미터 내지 200 나노미터 범위; 100 나노미터 내지 150 나노미터 범위)의 두께를 가질 수 있다.In some implementations, as shown in FIG. 3 ,
도 4는, 본원에 설명된 구현들에 따라 형성되는 애노드 전극 구조(400)의 또 다른 구현의 단면도를 예시한다. 도 4에서, 애노드 집전체(160)가 적층체를 넘어 연장되는 것으로 도시되지만, 애노드 집전체(160)가 적층체를 넘어 연장되는 것이 필수적이지는 않으며, 적층체를 넘어 연장되는 부분들은 탭들로서 사용될 수 있다는 것을 유의한다. 애노드 전극 구조(400)가 양면 전극 구조로서 도시되지만, 본원에 설명된 구현들은 단면 전극 구조에 또한 적용된다는 것이 이해되어야 한다.4 illustrates a cross-sectional view of another implementation of an
애노드 전극 구조(400)는, 애노드 집전체(160)와 애노드 집전체(160)의 대향하는 측들 상에 형성된 애노드 막들(170a, 170b)(총칭하여, 170)을 포함한다. 일 구현에서, 애노드 막(170)은 규소 흑연 막이다. 일 구현에서, 애노드 막(170)은 리튬 금속 막이다. 일 구현에서, 애노드 막(170)은, 100 마이크로미터 이하(예컨대, 약 1 ㎛ 내지 약 100 ㎛; 약 10 ㎛ 내지 약 30 ㎛; 약 20 ㎛ 내지 약 30 ㎛; 약 3 ㎛ 내지 약 20 ㎛; 또는 약 50 ㎛ 내지 약 100 ㎛)의 두께를 갖는다. 보호 막 적층체(410a, 410b)(총칭하여, 410)가 애노드 막(170) 상에 형성된다. 일부 구현들에서, 보호 막 적층체(410)는, 애노드 막(170)의 최상부 표면(420a, 420b)(총칭하여, 420) 및 측벽들(430a, 430b)(총칭하여, 430)을 포함하는 애노드 막(170)의 노출된 표면들 위에 형성된다. 보호 막 적층체(410)는, 보호 막(440a, 440b)(총칭하여, 440), 보호 막 적층체(410) 위에 형성되는 제1 중합체 막(450a, 450b)(총칭하여, 450), 제1 중합체 막(450) 위에 형성되는 세라믹 막(460a, 460b)(총칭하여, 460), 및 세라믹 막(460) 위에 형성되는 제2 중합체 막(470a, 470b)(총칭하여, 470)을 포함한다.The
보호 막(440)은, 플루오린화리튬(LiF), 산화알루미늄, 옥시수산화알루미늄(AlO(OH)), 구리 칼코게나이드(예컨대, CuS, Cu2Se, Cu2S), 비스무트 칼코게나이드(예컨대, Bi2Te3, Bi2Se3), 탄산리튬(Li2CO3), 및 이들의 조합들의 그룹으로부터 선택된다. 일 구현에서, 보호 막(440)은 탄산리튬(Li2CO3) 막이다. 일 구현에서, 보호 막(440)은, 20 나노미터 이하(예컨대, 약 1 나노미터 내지 약 20 나노미터; 약 1 나노미터 내지 약 10 나노미터; 또는 약 5 나노미터 내지 약 10 나노미터)의 두께를 갖는 초박형 막이다. 일부 구현들에서, 보호 막(440)은, 애노드 막(170)의 최상부 표면(420a, 420b)(총칭하여, 420) 및 측벽들(430a, 430b)(총칭하여, 430)을 포함하는 애노드 막(170)의 노출된 표면들 위에 형성된다.The protective film 440 is formed of lithium fluoride (LiF), aluminum oxide, aluminum oxyhydroxide (AlO(OH)), copper chalcogenide (eg, CuS, Cu 2 Se, Cu 2 S), bismuth chalcogenide ( For example, Bi 2 Te 3 , Bi 2 Se 3 ), lithium carbonate (Li 2 CO 3 ), and combinations thereof. In one implementation, the protective film 440 is a lithium carbonate (Li 2 CO 3 ) film. In one implementation, the protective film 440 has a size of 20 nanometers or less (eg, about 1 nanometer to about 20 nanometers; about 1 nanometer to about 10 nanometers; or about 5 nanometers to about 10 nanometers). It is an ultra-thin film with a thickness. In some implementations, the protective film 440 is an anode film comprising a
제1 중합체 막(450)은 보호 막(440) 위에 형성된다. 제1 중합체 막(450)은 접합 층으로서 기능하고, 이온 전도를 향상시킨다. 일 구현에서, 제1 중합체 막(450)은, 폴리비닐리덴 디플루오라이드(PVDF), 폴리에틸렌 옥시드(PEO), 에틸렌 옥시드(EO), 폴리-아크릴로니트릴(PAN), 숙시노니트릴(C2H4(CN)2), 2,3-디클로로-5,6-디시아노-1,4-벤조퀴논, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리에테르 에테르 케톤(PEEK), 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC), 스티렌 부타디엔 고무(SBR) 이온성 액체들 및 이들의 조합들을 포함하는 그룹으로부터 선택된다. 일 구현에서, 제1 중합체 막(450)은, 20 나노미터 이하(예컨대, 약 1 나노미터 내지 약 20 나노미터; 약 1 나노미터 내지 약 10 나노미터; 또는 약 5 나노미터 내지 약 10 나노미터)의 두께를 갖는다. 일부 구현들에서, 제1 중합체 막(450)은, 보호 막(440)의 최상부 표면 및 측벽들을 포함하는 보호 막(440)의 노출된 표면들 위에 형성된다.A first polymer film 450 is formed on the protective film 440 . The first polymer film 450 functions as a bonding layer and enhances ionic conduction. In one embodiment, the first polymer film 450 is made of polyvinylidene difluoride (PVDF), polyethylene oxide (PEO), ethylene oxide (EO), poly-acrylonitrile (PAN), succinonitrile ( C 2 H 4 (CN) 2 ), 2,3-dichloro-5,6-dicyano-1,4-benzoquinone, polyphenylene sulfide, polyether ether ketone (PEEK), carboxymethyl cellulose (CMC), styrene butadiene rubber (SBR) ionic liquids and combinations thereof. In one implementation, the first polymer film 450 is 20 nanometers or less (eg, about 1 nanometer to about 20 nanometers; about 1 nanometer to about 10 nanometers; or about 5 nanometers to about 10 nanometers) ) has a thickness of In some implementations, the first polymer film 450 is formed over the exposed surfaces of the protective film 440 including the top surface and sidewalls of the protective film 440 .
세라믹 막(460)은 제1 중합체 막(450) 위에 형성된다. 세라믹 막(460)은 리튬-이온 전도 증강기로서 기능하고, 수지상정들을 차단한다. 일 구현에서, 세라믹 막(460)은 다공성 막이다. 세라믹 막(460)은 세라믹 코팅(185)과 유사할 수 있다. 일 구현에서, 세라믹 막(460)은, LiPON, 가넷-유형 Li7La3Zr2O12의 결정질 또는 비정질 상들, LISICON(예컨대, Li2+2xZn1-xGeO4, 여기서, 0 < x < 1), NASICON(예컨대, Na1+xZr2SixP3-xO12, 여기서, 0 < x < 3), 수소화붕소리튬(LiBH4), 도핑된 반-페로브스카이트 조성물들, 리튬 함유 황화물들(예컨대, Li2S, Li2S-P2S5, Li10GeP2S12 및 Li3PS4), 및 리튬 아기로다이트들(예컨대, LiPS5X, 여기서, x는 Cl, Br 또는 I임)을 포함하는 그룹으로부터 선택된다. 일 구현에서, 세라믹 막(460)은, 20 나노미터 이하(예컨대, 약 1 나노미터 내지 약 20 나노미터; 약 1 나노미터 내지 약 10 나노미터; 또는 약 5 나노미터 내지 약 10 나노미터)의 두께를 갖는다. 일부 구현들에서, 세라믹 막(460)은, 제1 중합체 막(450)의 최상부 표면 및 측벽들을 포함하는 제1 중합체 막(450)의 노출된 표면들 위에 형성된다.A ceramic film 460 is formed over the first polymer film 450 . Ceramic film 460 functions as a lithium-ion conduction enhancer and blocks dendrites. In one implementation, the ceramic membrane 460 is a porous membrane. Ceramic film 460 may be similar to
제2 중합체 막(470)은 세라믹 막(460) 위에 형성된다. 제2 중합체 막(470)은 접합 층으로서 기능하고, 이온 전도를 향상시킨다. 일 구현에서, 제2 중합체 막(470)은, 폴리비닐리덴 디플루오라이드(PVDF), 폴리에틸렌 옥시드(PEO), 에틸렌 옥시드(EO), 폴리-아크릴로니트릴(PAN), 숙시노니트릴(C2H4(CN)2), 2,3-디클로로-5,6-디시아노-1,4-벤조퀴논, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리에테르 에테르 케톤(PEEK), 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC), 스티렌 부타디엔 고무(SBR) 이온성 액체들 및 이들의 조합들을 포함하는 그룹으로부터 선택된다. 일 구현에서, 제2 중합체 막(470)은, 20 나노미터 이하(예컨대, 약 1 나노미터 내지 약 20 나노미터; 약 1 나노미터 내지 약 10 나노미터; 또는 약 5 나노미터 내지 약 10 나노미터)의 두께를 갖는다. 일부 구현들에서, 제2 중합체 막(470)은, 제2 중합체 막(470)의 최상부 표면 및 측벽들을 포함하는 세라믹 막(460)의 노출된 표면들 위에 형성된다.A second polymer film 470 is formed over the ceramic film 460 . The second polymer film 470 functions as a bonding layer and enhances ionic conduction. In one embodiment, the second polymer film 470 is made of polyvinylidene difluoride (PVDF), polyethylene oxide (PEO), ethylene oxide (EO), poly-acrylonitrile (PAN), succinonitrile ( C 2 H 4 (CN) 2 ), 2,3-dichloro-5,6-dicyano-1,4-benzoquinone, polyphenylene sulfide, polyether ether ketone (PEEK), carboxymethyl cellulose (CMC), styrene butadiene rubber (SBR) ionic liquids and combinations thereof. In one implementation, the second polymer film 470 is 20 nanometers or less (eg, about 1 nanometer to about 20 nanometers; about 1 nanometer to about 10 nanometers; or about 5 nanometers to about 10 nanometers) ) has a thickness of In some implementations, the second polymer film 470 is formed over the exposed surfaces of the ceramic film 460 including the top surface and sidewalls of the second polymer film 470 .
도 5는, 본원에 설명된 구현들에 따라 형성되는 애노드 전극 구조(500)의 또 다른 구현의 단면도를 예시한다. 도 5에서, 애노드 집전체(160)가 적층체를 넘어 연장되는 것으로 도시되지만, 애노드 집전체(160)가 적층체를 넘어 연장되는 것이 필수적이지는 않으며, 적층체를 넘어 연장되는 부분들은 탭들로서 사용될 수 있다는 것을 유의한다. 애노드 전극 구조(500)가 양면 전극 구조로서 도시되지만, 본원에 설명된 구현들은 단면 전극 구조에 또한 적용된다는 것이 이해되어야 한다.5 illustrates a cross-sectional view of another implementation of an
애노드 전극 구조(500)는, 애노드 집전체(160)와 애노드 집전체(160)의 대향하는 측들 상에 형성된 애노드 막들(170a, 170b)(총칭하여, 170)을 포함한다. 일 구현에서, 애노드 막(170)은 규소 흑연 막이다. 일 구현에서, 애노드 막(170)은, 100 마이크로미터 이하(예컨대, 약 1 ㎛ 내지 약 100 ㎛; 약 10 ㎛ 내지 약 30 ㎛; 약 20 ㎛ 내지 약 30 ㎛; 약 3 ㎛ 내지 약 20 ㎛; 또는 약 50 ㎛ 내지 약 100 ㎛)의 두께를 갖는다. 일 구현에서, 애노드 막(170)은 리튬 금속 막이다. 보호 막 적층체(510a, 510b)(총칭하여, 510)가 애노드 막(170) 상에 형성된다. 일부 구현들에서, 보호 막 적층체(510)는, 애노드 막(170)의 최상부 표면(520a, 520b)(총칭하여, 520) 및 측벽들(530a, 530b)(총칭하여, 530)을 포함하는 애노드 막(170)의 노출된 표면들 위에 형성된다. 보호 막 적층체(510)는, 애노드 막(170)의 노출된 표면들 위에 형성되는 제1 중합체 막(550a, 550b)(총칭하여, 550), 제1 중합체 막(550) 위에 형성되는 유전체 막(560a, 560b)(총칭하여, 560), 및 유전체 막(560) 위에 형성되는 제2 중합체 막(570a, 570b)(총칭하여, 570)을 포함한다.The
제1 중합체 막(550)은 애노드 막(170) 위에 형성된다. 제1 중합체 막(550)은 접합 층으로서 기능하고, 이온 전도를 향상시킨다. 일 구현에서, 제1 중합체 막(550)은, 폴리비닐리덴 디플루오라이드(PVDF), 폴리에틸렌 옥시드(PEO), 에틸렌 옥시드(EO), 폴리-아크릴로니트릴(PAN), 숙시노니트릴(C2H4(CN)2), 2,3-디클로로-5,6-디시아노-1,4-벤조퀴논, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리에테르 에테르 케톤(PEEK), 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC), 스티렌 부타디엔 고무(SBR) 이온성 액체들 및 이들의 조합들을 포함하는 그룹으로부터 선택된다. 일 구현에서, 제1 중합체 막(550)은, 20 나노미터 이하(예컨대, 약 1 나노미터 내지 약 20 나노미터; 약 1 나노미터 내지 약 10 나노미터; 또는 약 5 나노미터 내지 약 10 나노미터)의 두께를 갖는다. 일부 구현들에서, 제1 중합체 막(550)은, 애노드 막(170)의 최상부 표면(520) 및 측벽들(530)을 포함하는 애노드 막(170)의 노출된 표면들 위에 형성된다.A first polymer film 550 is formed over the
유전체 막(560)은 제1 중합체 막(550) 위에 형성된다. 유전체 막(560)은 리튬-이온 전도 증강기로서 기능하고, 수지상정들을 차단한다. 일 구현에서, 유전체 막(560)은 다공성 막이다. 유전체 막(560)은 세라믹 코팅(185)과 유사할 수 있다. 일 구현에서, 유전체 막(560)은, LiPON, 가넷-유형 Li7La3Zr2O12의 결정질 또는 비정질 상들, LISICON(예컨대, Li2+2xZn1-xGeO4, 여기서, 0 < x < 1), NASICON(예컨대, Na1+xZr2SixP3-xO12, 여기서, 0 < x < 3), 수소화붕소리튬(LiBH4), 도핑된 반-페로브스카이트 조성물들, 리튬 함유 황화물들(예컨대, Li2S, Li2S-P2S5, Li10GeP2S12 및 Li3PS4), 및 리튬 아기로다이트들(예컨대, LiPS5X, 여기서, x는 Cl, Br 또는 I임)을 포함하는 그룹으로부터 선택된다. 일 구현에서, 유전체 막(560)은, 20 나노미터 이하(예컨대, 약 1 나노미터 내지 약 20 나노미터; 약 1 나노미터 내지 약 10 나노미터; 또는 약 5 나노미터 내지 약 10 나노미터)의 두께를 갖는다. 일부 구현들에서, 유전체 막(560)은, 제1 중합체 막(550)의 최상부 표면 및 측벽들을 포함하는 제1 중합체 막(550)의 노출된 표면들 위에 형성된다.A dielectric film 560 is formed over the first polymer film 550 . The dielectric film 560 functions as a lithium-ion conduction enhancer and blocks dendrites. In one implementation, dielectric film 560 is a porous film. The dielectric film 560 may be similar to the
제2 중합체 막(570)은 유전체 막(560) 위에 형성된다. 제2 중합체 막(570)은 접합 층으로서 기능하고, 이온 전도를 향상시킨다. 일 구현에서, 제2 중합체 막(570)은, 폴리비닐리덴 디플루오라이드(PVDF), 폴리에틸렌 옥시드(PEO), 에틸렌 옥시드(EO), 폴리-아크릴로니트릴(PAN), 숙시노니트릴(C2H4(CN)2), 2,3-디클로로-5,6-디시아노-1,4-벤조퀴논, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리에테르 에테르 케톤(PEEK), 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC), 스티렌 부타디엔 고무(SBR) 이온성 액체들 및 이들의 조합들을 포함하는 그룹으로부터 선택된다. 일 구현에서, 제2 중합체 막(570)은, 20 나노미터 이하(예컨대, 약 1 나노미터 내지 약 20 나노미터; 약 1 나노미터 내지 약 10 나노미터; 또는 약 5 나노미터 내지 약 10 나노미터)의 두께를 갖는다. 일부 구현들에서, 제2 중합체 막(570)은, 유전체 막(560)의 최상부 표면 및 측벽들을 포함하는 유전체 막(560)의 노출된 표면들 위에 형성된다.A second polymer film 570 is formed over the dielectric film 560 . The second polymer film 570 serves as a bonding layer and enhances ionic conduction. In one embodiment, the second polymer film 570 is made of polyvinylidene difluoride (PVDF), polyethylene oxide (PEO), ethylene oxide (EO), poly-acrylonitrile (PAN), succinonitrile ( C 2 H 4 (CN) 2 ), 2,3-dichloro-5,6-dicyano-1,4-benzoquinone, polyphenylene sulfide, polyether ether ketone (PEEK), carboxymethyl cellulose (CMC), styrene butadiene rubber (SBR) ionic liquids and combinations thereof. In one implementation, the second polymer film 570 is 20 nanometers or less (eg, about 1 nanometer to about 20 nanometers; about 1 nanometer to about 10 nanometers; or about 5 nanometers to about 10 nanometers) ) has a thickness of In some implementations, a second polymer film 570 is formed over exposed surfaces of the dielectric film 560 including the top surface and sidewalls of the dielectric film 560 .
도 6은, 본원에 설명된 구현들에 따라 형성되는 애노드 전극 구조(600)의 또 다른 구현의 단면도를 예시한다. 도 6에서, 애노드 집전체(160)가 적층체를 넘어 연장되는 것으로 도시되지만, 애노드 집전체(160)가 적층체를 넘어 연장되는 것이 필수적이지는 않으며, 적층체를 넘어 연장되는 부분들은 탭들로서 사용될 수 있다는 것을 유의한다. 애노드 전극 구조(600)가 양면 전극 구조로서 도시되지만, 본원에 설명된 구현들은 단면 전극 구조에 또한 적용된다는 것이 이해되어야 한다.6 illustrates a cross-sectional view of another implementation of an
애노드 전극 구조(600)는, 애노드 집전체(160)와 애노드 집전체(160)의 대향하는 측들 상에 형성된 애노드 막들(170a, 170b)(총칭하여, 170)을 포함한다. 일 구현에서, 애노드 막(170)은 규소 흑연 막이다. 일 구현에서, 애노드 막(170)은, 100 마이크로미터 이하(예컨대, 약 1 ㎛ 내지 약 100 ㎛; 약 10 ㎛ 내지 약 30 ㎛; 약 20 ㎛ 내지 약 30 ㎛; 약 3 ㎛ 내지 약 20 ㎛; 또는 약 50 ㎛ 내지 약 100 ㎛)의 두께를 갖는다. 일 구현에서, 애노드 막(170)은 리튬 금속 막이다. 보호 막 적층체(610a, 610b)(총칭하여, 610)가 애노드 막(170) 상에 형성된다. 일부 구현들에서, 보호 막 적층체(610)는, 애노드 막(170)의 최상부 표면(620a, 620b)(총칭하여, 620) 및 측벽들(630a, 630b)(총칭하여, 630)을 포함하는 애노드 막(170)의 노출된 표면들 위에 형성된다. 보호 막 적층체(610)는, 애노드 막(170)의 노출된 표면들 위에 형성되는 금속 막(650a, 650b)(총칭하여, 650), 금속 막(650) 위에 형성되는 유전체 막(660a, 660b)(총칭하여, 660), 및 유전체 막(660) 위에 형성되는 중합체 막(670a, 670b)(총칭하여, 670)을 포함한다.The
금속 막(650)은 애노드 막(170) 위에 형성된다. 금속 막(650)은 보호 막으로서 기능한다. 금속 막(650)은 보호 막(175)과 유사할 수 있다. 일 구현에서, 금속 막(650)은 초박형 금속 시드 막이다. 금속 막(650)은 구리 막일 수 있다. 구리 막은 초박형 구리 막일 수 있다. 일 구현에서, 금속 막(650)은, 20 나노미터 이하(예컨대, 약 1 나노미터 내지 약 20 나노미터; 약 1 나노미터 내지 약 10 나노미터; 또는 약 5 나노미터 내지 약 10 나노미터)의 두께를 갖는다. 일부 구현들에서, 금속 막(650)은, 애노드 막(170)의 최상부 표면(620) 및 측벽들(630)을 포함하는 애노드 막(170)의 노출된 표면들 위에 형성된다.A metal film 650 is formed on the
유전체 막(660)은 금속 막(650) 위에 형성된다. 유전체 막(660)은 리튬-이온 전도 증강기로서 기능하고, 수지상정들을 차단한다. 일 구현에서, 유전체 막(660)은 다공성 막이다. 유전체 막(660)은 세라믹 코팅(185)과 유사할 수 있다. 일 구현에서, 유전체 막(660)은, LiPON, 가넷-유형 Li7La3Zr2O12의 결정질 또는 비정질 상들, LISICON(예컨대, Li2+2xZn1-xGeO4, 여기서, 0 < x < 1), NASICON(예컨대, Na1+xZr2SixP3-xO12, 여기서, 0 < x < 3), 수소화붕소리튬(LiBH4), 도핑된 반-페로브스카이트 조성물들, 리튬 함유 황화물들(예컨대, Li2S, Li2S-P2S5, Li10GeP2S12 및 Li3PS4), 및 리튬 아기로다이트들(예컨대, LiPS5X, 여기서, x는 Cl, Br 또는 I임)을 포함하는 그룹으로부터 선택된다. 일 구현에서, 유전체 막(660)은, 20 나노미터 이하(예컨대, 약 1 나노미터 내지 약 20 나노미터; 약 1 나노미터 내지 약 10 나노미터; 또는 약 5 나노미터 내지 약 10 나노미터)의 두께를 갖는다. 일부 구현들에서, 유전체 막(660)은, 금속 막(650)의 최상부 표면 및 측벽들을 포함하는 금속 막(650)의 노출된 표면들 위에 형성된다.A dielectric film 660 is formed over the metal film 650 . The dielectric film 660 functions as a lithium-ion conduction enhancer and blocks dendrites. In one implementation, dielectric film 660 is a porous film. The dielectric film 660 may be similar to the
중합체 막(670)은 유전체 막(660) 위에 형성된다. 중합체 막(670)은 접합 층으로서 기능하고, 이온 전도를 향상시킨다. 일 구현에서, 중합체 막(670)은, 폴리비닐리덴 디플루오라이드(PVDF), 폴리에틸렌 옥시드(PEO), 에틸렌 옥시드(EO), 폴리-아크릴로니트릴(PAN), 숙시노니트릴(C2H4(CN)2), 2,3-디클로로-5,6-디시아노-1,4-벤조퀴논, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리에테르 에테르 케톤(PEEK), 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC), 스티렌 부타디엔 고무(SBR) 이온성 액체들 및 이들의 조합들을 포함하는 그룹으로부터 선택된다. 일 구현에서, 중합체 막(670)은, 20 나노미터 이하(예컨대, 약 1 나노미터 내지 약 20 나노미터; 약 1 나노미터 내지 약 10 나노미터; 또는 약 5 나노미터 내지 약 10 나노미터)의 두께를 갖는다. 일부 구현들에서, 중합체 막(670)은, 유전체 막(660)의 최상부 표면 및 측벽들을 포함하는 유전체 막(660)의 노출된 표면들 위에 형성된다.A polymer film 670 is formed over the dielectric film 660 . The polymer film 670 serves as a bonding layer and enhances ionic conduction. In one embodiment, the polymer film 670 is made of polyvinylidene difluoride (PVDF), polyethylene oxide (PEO), ethylene oxide (EO), poly-acrylonitrile (PAN), succinonitrile (C 2 ). H 4 (CN) 2 ), 2,3-dichloro-5,6-dicyano-1,4-benzoquinone, polyphenylene sulfide, polyether ether ketone (PEEK), carboxymethyl cellulose (CMC), styrene butadiene rubber (SBR) ionic liquids and combinations thereof. In one implementation, the polymer film 670 has a size of 20 nanometers or less (eg, about 1 nanometer to about 20 nanometers; about 1 nanometer to about 10 nanometers; or about 5 nanometers to about 10 nanometers). has a thickness. In some implementations, the polymer film 670 is formed over the exposed surfaces of the dielectric film 660 including the top surface and sidewalls of the dielectric film 660 .
도 7은, 본원에 설명된 구현들에 따라 애노드 전극 구조를 형성하기 위한 방법(700)의 일 구현을 요약하는 공정 흐름도를 예시한다. 애노드 전극 구조는 도 2에 도시된 애노드 전극 구조(200)일 수 있다. 동작(710)에서, 기판이 제공된다. 일 구현에서, 기판은, 도 12에 도시된 바와 같이, 연속적인 재료 시트(1250)이다. 일 구현에서, 기판은 애노드 집전체(160)이다. 기판을 구성할 수 있는 금속들의 예들은, 알루미늄(Al), 구리(Cu), 아연(Zn), 니켈(Ni), 코발트(Co), 망가니즈(Mn), 크로뮴(Cr), 스테인리스 강, 클래드 물질들, 이들의 합금들, 및 이들의 조합들을 포함한다. 일 구현에서, 기판은 구리 물질이다. 일 구현에서, 기판은 천공된다. 또한, 기판은, 임의의 폼 팩터(예컨대, 금속성 포일, 시트, 또는 평판), 형상, 및 마이크로/매크로 구조를 가질 수 있다.7 illustrates a process flow diagram summarizing one implementation of a
일부 구현들에서, 기판은 전처리 공정에 노출되며, 이는, 집전체의 노출된 표면들로부터 유기 물질들을 제거하기 위한 플라즈마 처리 또는 코로나 방전 공정 중 적어도 하나를 포함한다. 전처리 공정은 기판 상의 막 증착 전에 수행된다.In some implementations, the substrate is exposed to a pretreatment process, which includes at least one of a plasma treatment or a corona discharge process to remove organic materials from exposed surfaces of the current collector. A pretreatment process is performed prior to film deposition on the substrate.
동작(720)에서, 리튬 금속 막이 기판 상에 형성된다. 일 구현에서, 리튬 금속 막은 애노드 막(170)이고, 기판은 애노드 집전체(160)이다. 일 구현에서, 리튬 금속 막은 구리 집전체 상에 형성된다. 일부 구현들에서, 애노드 막이 기판 상에 이미 존재하는 경우, 리튬 금속 막은 애노드 막 상에 형성된다. 애노드 막(170)이 존재하지 않는 경우, 리튬 금속 막은 기판 상에 직접 형성될 수 있다. 리튬 금속의 박막들을 증착하기 위한 임의의 적합한 리튬 금속 막 증착 공정이 사용되어 리튬 금속의 박막을 증착할 수 있다. 리튬 금속의 박막의 증착은, PVD 공정들, 이를테면, 증발, 슬롯-다이 공정, 전사 공정, 또는 3차원 리튬 인쇄 공정에 의해 이루어질 수 있다. 리튬 금속의 박막을 증착하기 위한 챔버는, PVD 시스템, 이를테면, 전자 빔 증발기, 열 증발기, 또는 스퍼터링 시스템, 박막 전사 시스템(대면적 패턴 인쇄 시스템들, 이를테면, 그라비어 인쇄 시스템들을 포함함) 또는 슬롯-다이 증착 시스템을 포함할 수 있다.At
동작(730)에서, 금속 막이 리튬 금속 막 상에 형성된다. 일 구현에서, 금속 막은, 구리 막, 비스무트 막, 또는 주석 막이다. 도 2를 참조하면, 금속 막은 금속 막(210)일 수 있고, 리튬 금속 막은 애노드 막(170)일 수 있다. 일 구현에서, 금속 막은, 구리 막, 비스무트 막, 주석 막, 또는 이들의 조합들로부터 선택된다. 일 구현에서, 금속 막은, 100 나노미터 이하(예컨대, 약 5 나노미터 내지 100 나노미터; 약 10 나노미터 내지 약 20 나노미터; 또는 약 50 나노미터 내지 약 100 나노미터)의 두께를 갖는 초박형 구리 막이다. 구리의 박막들을 증착하기 위한 임의의 적합한 구리 막 증착 공정이 사용되어 구리의 박막을 증착할 수 있다. 구리의 박막의 증착은, PVD 공정들, 이를테면, 증발, 슬롯-다이 공정, 전사 공정, 또는 3차원 리튬 인쇄 공정에 의해 이루어질 수 있다. 리튬 금속의 박막을 증착하기 위한 챔버는, PVD 시스템, 이를테면, 전자 빔 증발기, 열 증발기, 또는 스퍼터링 시스템, 박막 전사 시스템(대면적 패턴 인쇄 시스템들, 이를테면, 그라비어 인쇄 시스템들을 포함함) 또는 슬롯-다이 증착 시스템을 포함할 수 있다.In
동작(740)에서, 보호 막이 금속 막 상에 형성될 수 있다. 도 2를 참조하면, 보호 막은 보호 막(220)일 수 있고, 구리 막은 금속 막(210)일 수 있다. 일부 구현들에서, 보호 막(220)은, 리튬 이온들 및 리튬 원자들 중 적어도 하나에 대해 투과성이다. 일 구현에서, 보호 막(220)은, 리튬-이온 전도성 세라믹, 리튬-이온 전도성 유리, 이온 전도성 중합체, 이온 전도성 액정, 이들의 복합물 조합들, 또는 이들의 단위 층 조합들을 포함하는 그룹으로부터 선택된다. 보호 막(220)은, 5 나노미터 내지 2,000 마이크로미터 범위(예컨대, 10 나노미터 내지 600 나노미터 범위; 50 나노미터 내지 100 나노미터 범위; 100 나노미터 내지 200 나노미터 범위; 100 나노미터 내지 150 나노미터 범위)의 두께를 가질 수 있다. 보호 막(220)은, 물리 기상 증착(PVD), 화학 기상 증착(CVD), 분무, 닥터 블레이드, 인쇄 또는 다수의 코팅 방법들 중 임의의 것 중 어느 하나를 사용하여 구리 막 상에 직접 증착될 수 있다. 일부 구현들에 대한 적합한 방법은 PVD이다. 일부 구현들에서, 보호 막(220)이 이온 전도성일 필요는 없지만, 일단 전해질(액체, 겔, 고체, 조합 등)로 채워지면, 다공성 기판과 전해질의 조합은 이온 전도성이다.In
도 8은, 본원에 설명된 구현들에 따라 애노드 전극 구조를 형성하기 위한 방법(800)의 일 구현을 요약하는 공정 흐름도를 예시한다. 애노드 전극 구조는 도 3에 도시된 애노드 전극 구조(300)일 수 있다. 동작(810)에서, 기판이 제공된다. 일 구현에서, 기판은 연속적인 재료 시트(1250)이다. 일 구현에서, 기판은 애노드 집전체(160)이다. 기판을 구성할 수 있는 금속들의 예들은, 알루미늄(Al), 구리(Cu), 아연(Zn), 니켈(Ni), 코발트(Co), 망가니즈(Mn), 크로뮴(Cr), 스테인리스 강, 클래드 물질들, 이들의 합금들, 및 이들의 조합들을 포함한다. 일 구현에서, 기판은 구리 물질이다. 일 구현에서, 기판은 천공된다. 또한, 기판은, 임의의 폼 팩터(예컨대, 금속성 포일, 시트, 또는 평판), 형상, 및 마이크로/매크로 구조를 가질 수 있다.8 illustrates a process flow diagram summarizing one implementation of a method 800 for forming an anode electrode structure in accordance with implementations described herein. The anode electrode structure may be the
일부 구현들에서, 기판은 전처리 공정에 노출되며, 이는, 집전체의 노출된 표면들로부터 유기 물질들을 제거하기 위한 플라즈마 처리 또는 코로나 방전 공정 중 적어도 하나를 포함한다. 전처리 공정은 기판 상의 막 증착 전에 수행된다.In some implementations, the substrate is exposed to a pretreatment process, which includes at least one of a plasma treatment or a corona discharge process to remove organic materials from exposed surfaces of the current collector. A pretreatment process is performed prior to film deposition on the substrate.
동작(820)에서, 규소 흑연 막이 기판 상에 형성된다. 일 구현에서, 규소 흑연 막은 애노드 막(170)이고, 기판은 애노드 집전체(160)이다. 일 구현에서, 규소 흑연 막은 구리 집전체 상에 형성된다. 규소 흑연 막은 제1 처리 챔버(1210)(도 12 참조)에서 형성될 수 있다. 규소 흑연의 박막들을 증착하기 위한 임의의 적합한 규소 흑연 막 증착 공정이 사용되어 규소 흑연의 박막을 증착할 수 있다. 규소 흑연의 박막의 증착은, PVD 공정들, 이를테면, 증발, 슬롯-다이 공정, 전사 공정, 전기도금 공정, 또는 3차원 리튬 인쇄 공정에 의해 이루어질 수 있다. 규소 흑연의 박막을 증착하기 위한 챔버는, PVD 시스템, 이를테면, 전자 빔 증발기, 열 증발기, 또는 스퍼터링 시스템, 박막 전사 시스템(대면적 패턴 인쇄 시스템들, 이를테면, 그라비어 인쇄 시스템들을 포함함) 또는 슬롯-다이 증착 시스템을 포함할 수 있다.At
동작(830)에서, 리튬 금속 막이 규소 흑연 막 상에 형성된다. 도 3을 참조하면, 일 구현에서, 리튬 금속 막은 리튬 금속 막(310)이고, 규소 흑연 막은 애노드 막(170)이다. 리튬 금속의 박막들을 증착하기 위한 임의의 적합한 리튬 금속 막 증착 공정이 사용되어 리튬 금속의 박막을 증착할 수 있다. 리튬 금속의 박막의 증착은, PVD 공정들, 이를테면, 증발, 슬롯-다이 공정, 전사 공정, 또는 3차원 리튬 인쇄 공정에 의해 이루어질 수 있다. 리튬 금속의 박막을 증착하기 위한 챔버는, PVD 시스템, 이를테면, 전자 빔 증발기, 열 증발기, 또는 스퍼터링 시스템, 박막 전사 시스템(대면적 패턴 인쇄 시스템들, 이를테면, 그라비어 인쇄 시스템들을 포함함) 또는 슬롯-다이 증착 시스템을 포함할 수 있다.At
동작(840)에서, 보호 막이 리튬 금속 막 상에 형성될 수 있다. 도 3을 참조하면, 보호 막은 보호 막(340)일 수 있고, 리튬 금속 막은 리튬 금속 막(310)일 수 있다. 일부 구현들에서, 보호 막(340)은, 리튬 이온들 및 리튬 원자들 중 적어도 하나에 대해 투과성이다. 일 구현에서, 보호 막(340)은, 리튬-이온 전도성 세라믹, 리튬-이온 전도성 유리, 이온 전도성 중합체, 이온 전도성 액정, 이들의 복합물 조합들, 또는 이들의 단위 층 조합들을 포함하는 그룹으로부터 선택된다. 보호 막(340)은, 5 나노미터 내지 2,000 마이크로미터 범위(예컨대, 10 나노미터 내지 600 나노미터 범위; 50 나노미터 내지 100 나노미터 범위; 100 나노미터 내지 200 나노미터 범위; 100 나노미터 내지 150 나노미터 범위)의 두께를 가질 수 있다. 보호 막(340)은, 물리 기상 증착(PVD), 화학 기상 증착(CVD), 분무, 닥터 블레이드, 인쇄 또는 다수의 코팅 방법들 중 임의의 것 중 어느 하나를 사용하여 리튬 금속 막 상에 직접 증착될 수 있다. 일부 구현들에 대한 적합한 방법은 PVD이다. 일부 구현들에서, 보호 막(340)이 이온 전도성일 필요는 없지만, 일단 전해질(액체, 겔, 고체, 조합 등)로 채워지면, 다공성 기판과 전해질의 조합은 이온 전도성이다.In
도 9는, 본원에 설명된 구현들에 따라 애노드 전극 구조를 형성하기 위한 방법(900)의 일 구현을 요약하는 공정 흐름도를 예시한다. 애노드 전극 구조는 도 4에 도시된 애노드 전극 구조(400)일 수 있다. 동작(910)에서, 기판이 제공된다. 일 구현에서, 기판은, 도 12에 도시된 바와 같이, 연속적인 재료 시트(1250)이다. 일 구현에서, 기판은 애노드 집전체(160)이다. 기판을 구성할 수 있는 금속들의 예들은, 알루미늄(Al), 구리(Cu), 아연(Zn), 니켈(Ni), 코발트(Co), 망가니즈(Mn), 크로뮴(Cr), 스테인리스 강, 클래드 물질들, 이들의 합금들, 및 이들의 조합들을 포함한다. 일 구현에서, 기판은 구리 물질이다. 일 구현에서, 기판은 천공된다. 또한, 기판은, 임의의 폼 팩터(예컨대, 금속성 포일, 시트, 또는 평판), 형상, 및 마이크로/매크로 구조를 가질 수 있다.9 illustrates a process flow diagram summarizing one implementation of a
일부 구현들에서, 기판은 전처리 공정에 노출되며, 이는, 집전체의 노출된 표면들로부터 유기 물질들을 제거하기 위한 플라즈마 처리 또는 코로나 방전 공정 중 적어도 하나를 포함한다. 전처리 공정은 기판 상의 막 증착 전에 수행된다.In some implementations, the substrate is exposed to a pretreatment process, which includes at least one of a plasma treatment or a corona discharge process to remove organic materials from exposed surfaces of the current collector. A pretreatment process is performed prior to film deposition on the substrate.
동작(920)에서, 리튬 금속 막이 기판 상에 형성된다. 일 구현에서, 리튬 금속 막은 애노드 막(170)이고, 기판은 애노드 집전체(160)이다. 일 구현에서, 리튬 금속 막은 구리 집전체 상에 형성된다. 일부 구현들에서, 애노드 막이 기판 상에 이미 존재하는 경우, 리튬 금속 막은 애노드 막 상에 형성된다. 애노드 막(170)이 존재하지 않는 경우, 리튬 금속 막은 기판 상에 직접 형성될 수 있다. 리튬 금속의 박막들을 증착하기 위한 임의의 적합한 리튬 금속 막 증착 공정이 사용되어 리튬 금속의 박막을 증착할 수 있다. 리튬 금속의 박막의 증착은, PVD 공정들, 이를테면, 증발, 슬롯-다이 공정, 전사 공정, 또는 3차원 리튬 인쇄 공정에 의해 이루어질 수 있다. 리튬 금속의 박막을 증착하기 위한 챔버는, PVD 시스템, 이를테면, 전자 빔 증발기, 열 증발기, 또는 스퍼터링 시스템, 박막 전사 시스템(대면적 패턴 인쇄 시스템들, 이를테면, 그라비어 인쇄 시스템들을 포함함) 또는 슬롯-다이 증착 시스템을 포함할 수 있다.At
동작(930)에서, 보호 막이 리튬 금속 막 상에 형성된다. 도 4를 참조하면, 보호 막은 보호 막(440)일 수 있고, 리튬 금속 막은 애노드 막(170)일 수 있다. 일 구현에서, 보호 막은, 도 1과 관련하여 설명된 바와 같은 보호 막(175)과 유사하다. 보호 막은, 플루오린화리튬(LiF), 금속 막(예컨대, 구리, 비스무트, 주석, 또는 이들의 조합들), 구리 칼코게나이드(예컨대, CuS, Cu2Se, Cu2S), 비스무트 칼코게나이드(예컨대, Bi2Te3, Bi2Se3), 및 탄산리튬(Li2CO3) 중 적어도 하나를 포함한다. 보호 막(175)은 애노드 막(170)의 표면 보호를 제공한다. 보호 막은, 물리 기상 증착(PVD), 이를테면, 증발 또는 스퍼터링, 원자 층 증착(ALD), 슬롯-다이 공정, 딥 코팅, 박막 전사 공정, 그라비어 코팅, 콤마 바 코팅, 키스-롤 코팅, 또는 3차원 리튬 인쇄 공정에 의해 애노드 막(170) 상에 직접 증착될 수 있다. PVD는, 보호 막의 증착에 대한 바람직한 방법이다. 보호 막은 1 나노미터 내지 2,000 나노미터 범위(예컨대, 10 나노미터 내지 600 나노미터 범위; 50 나노미터 내지 100 나노미터 범위; 50 나노미터 내지 200 나노미터 범위; 100 나노미터 내지 150 나노미터 범위)의 두께를 갖는 코팅 또는 별개의 층일 수 있다. 보호 막은 5 미크론 내지 50 미크론 범위(예컨대, 6 미크론 내지 25 미크론 범위)의 두께를 갖는 별개의 막일 수 있다.In
동작(940)에서, 제1 중합체 막이 보호 막 상에 형성된다. 도 4를 참조하면, 제1 중합체 막은 제1 중합체 막(450)일 수 있고, 보호 막은 보호 막(440)일 수 있다. 제1 중합체 막은 접합 층으로서 기능하고, 이온 전도를 향상시킨다. 일 구현에서, 제1 중합체 막은, 폴리비닐리덴 디플루오라이드(PVDF), 폴리에틸렌 옥시드(PEO), 에틸렌 옥시드(EO), 폴리-아크릴로니트릴(PAN), 숙시노니트릴(C2H4(CN)2), 2,3-디클로로-5,6-디시아노-1,4-벤조퀴논, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리에테르 에테르 케톤(PEEK), 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC), 스티렌 부타디엔 고무(SBR) 이온성 액체들 및 이들의 조합들을 포함하는 그룹으로부터 선택된다. 일 구현에서, 제1 중합체 막은, 20 나노미터 이하(예컨대, 약 1 나노미터 내지 약 20 나노미터; 약 1 나노미터 내지 약 10 나노미터; 또는 약 5 나노미터 내지 약 10 나노미터)의 두께를 갖는다. 일부 구현들에서, 제1 중합체 막은, 보호 막의 최상부 표면 및 측벽들을 포함하는 보호 막의 노출된 표면들 위에 형성된다. 제1 중합체 막은, 물리 기상 증착(PVD), 이를테면, 증발 또는 스퍼터링, 원자 층 증착(ALD), 슬롯-다이 공정, 딥 코팅, 박막 전사 공정, 그라비어 코팅, 또는 3차원 리튬 인쇄 공정에 의해 보호부 상에 직접 증착될 수 있다.At
동작(950)에서, 세라믹 막이 제1 중합체 막 상에 형성된다. 도 4를 참조하면, 세라믹 막은 세라믹 막(460)일 수 있고, 제1 중합체 막은 제1 중합체 막(450)일 수 있다. 세라믹 막은 리튬-이온 전도 증강기로서 기능하고, 수지상정들을 차단한다. 일 구현에서, 세라믹 막은 다공성 막이다. 세라믹 막은, 도 1과 관련하여 설명된 바와 같은 세라믹 코팅(185)과 유사할 수 있다. 일 구현에서, 세라믹 막은, LiPON, 가넷-유형 Li7La3Zr2O12의 결정질 또는 비정질 상들, LISICON(예컨대, Li2+2xZn1-xGeO4, 여기서, 0 < x < 1), NASICON(예컨대, Na1+xZr2SixP3-xO12, 여기서, 0 < x < 3), 수소화붕소리튬(LiBH4), 도핑된 반-페로브스카이트 조성물들, 리튬 함유 황화물들(예컨대, Li2S, Li2S-P2S5, Li10GeP2S12 및 Li3PS4), 및 리튬 아기로다이트들(예컨대, LiPS5X, 여기서, x는 Cl, Br 또는 I임)을 포함하는 그룹으로부터 선택된다. 일 구현에서, 세라믹 막은, 20 나노미터 이하(예컨대, 약 1 나노미터 내지 약 20 나노미터; 약 1 나노미터 내지 약 10 나노미터; 또는 약 5 나노미터 내지 약 10 나노미터)의 두께를 갖는다. 일부 구현들에서, 세라믹 막은, 제1 중합체 막의 최상부 표면 및 측벽들을 포함하는 제1 중합체 막의 노출된 표면들 위에 형성된다. 세라믹 막은, 물리 기상 증착(PVD), 이를테면, 증발 또는 스퍼터링, 원자 층 증착(ALD), 슬롯-다이 공정, 딥 코팅, 박막 전사 공정, 그라비어 코팅, 또는 3차원 리튬 인쇄 공정에 의해 보호부 상에 직접 증착될 수 있다.At
동작(960)에서, 제2 중합체 막이 세라믹 막 상에 형성된다. 도 4를 참조하면, 제2 중합체 막은 제2 중합체 막(470)일 수 있고, 세라믹 막은 세라믹 막(460)일 수 있다. 제2 중합체 막(470)은 접합 층으로서 기능하고, 이온 전도를 향상시킨다. 일 구현에서, 제2 중합체 막은, 폴리비닐리덴 디플루오라이드(PVDF), 폴리에틸렌 옥시드(PEO), 에틸렌 옥시드(EO), 폴리-아크릴로니트릴(PAN), 숙시노니트릴(C2H4(CN)2), 2,3-디클로로-5,6-디시아노-1,4-벤조퀴논, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리에테르 에테르 케톤(PEEK), 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC), 스티렌 부타디엔 고무(SBR) 이온성 액체들 및 이들의 조합들을 포함하는 그룹으로부터 선택된다. 일 구현에서, 제2 중합체 막은, 20 나노미터 이하(예컨대, 약 1 나노미터 내지 약 20 나노미터; 약 1 나노미터 내지 약 10 나노미터; 또는 약 5 나노미터 내지 약 10 나노미터)의 두께를 갖는다. 일부 구현들에서, 제2 중합체 막은, 제2 중합체 막의 최상부 표면 및 측벽들을 포함하는 세라믹 막의 노출된 표면들 위에 형성된다. 제2 중합체 막은, 물리 기상 증착(PVD), 이를테면, 증발 또는 스퍼터링, 원자 층 증착(ALD), 슬롯-다이 공정, 딥 코팅, 박막 전사 공정, 그라비어 코팅, 또는 3차원 리튬 인쇄 공정에 의해 보호부 상에 직접 증착될 수 있다.At
도 10은, 본원에 설명된 구현들에 따라 애노드 전극 구조를 형성하기 위한 방법(1000)의 일 구현을 요약하는 공정 흐름도를 예시한다. 애노드 전극 구조는 도 5에 도시된 애노드 전극 구조(500)일 수 있다. 동작(1010)에서, 기판이 제공된다. 일 구현에서, 기판은, 도 12에 도시된 바와 같이, 연속적인 재료 시트(1250)이다. 일 구현에서, 기판은 애노드 집전체(160)이다. 기판을 구성할 수 있는 금속들의 예들은, 알루미늄(Al), 구리(Cu), 아연(Zn), 니켈(Ni), 코발트(Co), 망가니즈(Mn), 크로뮴(Cr), 스테인리스 강, 클래드 물질들, 이들의 합금들, 및 이들의 조합들을 포함한다. 일 구현에서, 기판은 구리 물질이다. 일 구현에서, 기판은 천공된다. 또한, 기판은, 임의의 폼 팩터(예컨대, 금속성 포일, 시트, 또는 평판), 형상, 및 마이크로/매크로 구조를 가질 수 있다.10 illustrates a process flow diagram summarizing one implementation of a
일부 구현들에서, 기판은 전처리 공정에 노출되며, 이는, 집전체의 노출된 표면들로부터 유기 물질들을 제거하기 위한 플라즈마 처리 또는 코로나 방전 공정 중 적어도 하나를 포함한다. 전처리 공정은 기판 상의 막 증착 전에 수행된다.In some implementations, the substrate is exposed to a pretreatment process, which includes at least one of a plasma treatment or a corona discharge process to remove organic materials from exposed surfaces of the current collector. A pretreatment process is performed prior to film deposition on the substrate.
동작(1020)에서, 리튬 금속 막이 기판 상에 형성된다. 일 구현에서, 리튬 금속 막은 애노드 막(170)이고, 기판은 애노드 집전체(160)이다. 일 구현에서, 리튬 금속 막은 구리 집전체 상에 형성된다. 일부 구현들에서, 애노드 막이 기판 상에 이미 존재하는 경우, 리튬 금속 막은 애노드 막 상에 형성된다. 애노드 막(170)이 존재하지 않는 경우, 리튬 금속 막은 기판 상에 직접 형성될 수 있다. 리튬 금속의 박막들을 증착하기 위한 임의의 적합한 리튬 금속 막 증착 공정이 사용되어 리튬 금속의 박막을 증착할 수 있다. 리튬 금속의 박막의 증착은, PVD 공정들, 이를테면, 증발, 슬롯-다이 공정, 전사 공정, 또는 3차원 리튬 인쇄 공정에 의해 이루어질 수 있다. 리튬 금속의 박막을 증착하기 위한 챔버는, PVD 시스템, 이를테면, 전자 빔 증발기, 열 증발기, 또는 스퍼터링 시스템, 박막 전사 시스템(대면적 패턴 인쇄 시스템들, 이를테면, 그라비어 인쇄 시스템들을 포함함) 또는 슬롯-다이 증착 시스템을 포함할 수 있다.At
동작(1030)에서, 제1 중합체 막이 리튬 금속 막 상에 형성된다. 도 5를 참조하면, 제1 중합체 막은 제1 중합체 막(550)일 수 있고, 리튬 금속 막은 애노드 막(170)일 수 있다. 제1 중합체 막은 접합 층으로서 기능하고, 이온 전도를 향상시킨다. 일 구현에서, 제1 중합체 막은, 폴리비닐리덴 디플루오라이드(PVDF), 폴리에틸렌 옥시드(PEO), 에틸렌 옥시드(EO), 폴리-아크릴로니트릴(PAN), 숙시노니트릴(C2H4(CN)2), 2,3-디클로로-5,6-디시아노-1,4-벤조퀴논, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리에테르 에테르 케톤(PEEK), 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC), 스티렌 부타디엔 고무(SBR) 이온성 액체들 및 이들의 조합들을 포함하는 그룹으로부터 선택된다. 일 구현에서, 제1 중합체 막은, 20 나노미터 이하(예컨대, 약 1 나노미터 내지 약 20 나노미터; 약 1 나노미터 내지 약 10 나노미터; 또는 약 5 나노미터 내지 약 10 나노미터)의 두께를 갖는다. 일부 구현들에서, 제1 중합체 막은, 보호 막의 최상부 표면 및 측벽들을 포함하는 리튬 금속 막의 노출된 표면들 위에 형성된다. 제1 중합체 막은, 물리 기상 증착(PVD), 이를테면, 증발 또는 스퍼터링, 원자 층 증착(ALD), 슬롯-다이 공정, 딥 코팅, 박막 전사 공정, 그라비어 코팅, 또는 3차원 리튬 인쇄 공정에 의해 보호부 상에 직접 증착될 수 있다.At
동작(1040)에서, 유전체 막이 제1 중합체 막 상에 형성된다. 도 5를 참조하면, 유전체 막은 유전체 막(560)일 수 있고, 제1 중합체 막은 제1 중합체 막(550)일 수 있다. 유전체 막은 리튬-이온 전도 증강기로서 기능하고, 수지상정들을 차단한다. 일 구현에서, 유전체 막은 다공성 막이다. 유전체 막은, 도 1과 관련하여 설명된 바와 같은 세라믹 코팅(185)과 유사할 수 있다. 일 구현에서, 유전체 막은, LiPON, 가넷-유형 Li7La3Zr2O12의 결정질 또는 비정질 상들, LISICON(예컨대, Li2+2xZn1-xGeO4, 여기서, 0 < x < 1), NASICON(예컨대, Na1+xZr2SixP3-xO12, 여기서, 0 < x < 3), 수소화붕소리튬(LiBH4), 도핑된 반-페로브스카이트 조성물들, 리튬 함유 황화물들(예컨대, Li2S, Li2S-P2S5, Li10GeP2S12 및 Li3PS4), 및 리튬 아기로다이트들(예컨대, LiPS5X, 여기서, x는 Cl, Br 또는 I임)을 포함하는 그룹으로부터 선택된다. 일 구현에서, 유전체 막은, 20 나노미터 이하(예컨대, 약 1 나노미터 내지 약 20 나노미터; 약 1 나노미터 내지 약 10 나노미터; 또는 약 5 나노미터 내지 약 10 나노미터)의 두께를 갖는다. 일부 구현들에서, 유전체 막은, 제1 중합체 막의 최상부 표면 및 측벽들을 포함하는 제1 중합체 막의 노출된 표면들 위에 형성된다. 유전체 막은, 화학 기상 증착(CVD), 물리 기상 증착(PVD), 이를테면, 증발 또는 스퍼터링, 원자 층 증착(ALD), 슬롯-다이 공정, 딥 코팅, 박막 전사 공정, 그라비어 코팅, 또는 3차원 리튬 인쇄 공정에 의해 보호부 상에 직접 증착될 수 있다.At
동작(1050)에서, 제2 중합체 막이 유전체 막 상에 형성된다. 도 5를 참조하면, 제2 중합체 막은 제2 중합체 막(570)일 수 있고, 유전체 막은 유전체 막(560)일 수 있다. 제2 중합체 막(570)은 접합 층으로서 기능하고, 이온 전도를 향상시킨다. 일 구현에서, 제2 중합체 막은, 폴리비닐리덴 디플루오라이드(PVDF), 폴리에틸렌 옥시드(PEO), 에틸렌 옥시드(EO), 폴리-아크릴로니트릴(PAN), 숙시노니트릴(C2H4(CN)2), 2,3-디클로로-5,6-디시아노-1,4-벤조퀴논, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리에테르 에테르 케톤(PEEK), 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC), 스티렌 부타디엔 고무(SBR) 이온성 액체들 및 이들의 조합들을 포함하는 그룹으로부터 선택된다. 일 구현에서, 제2 중합체 막은, 20 나노미터 이하(예컨대, 약 1 나노미터 내지 약 20 나노미터; 약 1 나노미터 내지 약 10 나노미터; 또는 약 5 나노미터 내지 약 10 나노미터)의 두께를 갖는다. 일부 구현들에서, 제2 중합체 막은, 제2 중합체 막의 최상부 표면 및 측벽들을 포함하는 세라믹 막의 노출된 표면들 위에 형성된다. 제2 중합체 막은, 물리 기상 증착(PVD), 이를테면, 증발 또는 스퍼터링, 원자 층 증착(ALD), 슬롯-다이 공정, 딥 코팅, 박막 전사 공정, 그라비어 코팅, 또는 3차원 리튬 인쇄 공정에 의해 보호부 상에 직접 증착될 수 있다.At
도 11은, 본원에 설명된 구현들에 따라 애노드 전극 구조를 형성하기 위한 방법(1100)의 일 구현을 요약하는 공정 흐름도를 예시한다. 애노드 전극 구조는 도 6에 도시된 애노드 전극 구조(600)일 수 있다. 동작(1110)에서, 기판이 제공된다. 일 구현에서, 기판은, 도 12에 도시된 바와 같이, 연속적인 재료 시트(1250)이다. 일 구현에서, 기판은 애노드 집전체(160)이다. 기판을 구성할 수 있는 금속들의 예들은, 알루미늄(Al), 구리(Cu), 아연(Zn), 니켈(Ni), 코발트(Co), 망가니즈(Mn), 크로뮴(Cr), 스테인리스 강, 클래드 물질들, 이들의 합금들, 및 이들의 조합들을 포함한다. 일 구현에서, 기판은 구리 물질이다. 일 구현에서, 기판은 천공된다. 또한, 기판은, 임의의 폼 팩터(예컨대, 금속성 포일, 시트, 또는 평판), 형상, 및 마이크로/매크로 구조를 가질 수 있다.11 illustrates a process flow diagram summarizing one implementation of a
일부 구현들에서, 기판은 전처리 공정에 노출되며, 이는, 집전체의 노출된 표면들로부터 유기 물질들을 제거하기 위한 플라즈마 처리 또는 코로나 방전 공정 중 적어도 하나를 포함한다. 전처리 공정은 기판 상의 막 증착 전에 수행된다.In some implementations, the substrate is exposed to a pretreatment process, which includes at least one of a plasma treatment or a corona discharge process to remove organic materials from exposed surfaces of the current collector. A pretreatment process is performed prior to film deposition on the substrate.
동작(1120)에서, 리튬 금속 막이 기판 상에 형성된다. 일 구현에서, 리튬 금속 막은 애노드 막(170)이고, 기판은 애노드 집전체(160)이다. 일 구현에서, 리튬 금속 막은 구리 집전체 상에 형성된다. 일부 구현들에서, 애노드 막이 기판 상에 이미 존재하는 경우, 리튬 금속 막은 애노드 막 상에 형성된다. 애노드 막(170)이 존재하지 않는 경우, 리튬 금속 막은 기판 상에 직접 형성될 수 있다. 리튬 금속 막은, 제1 처리 챔버(1210) 및/또는 제2 처리 챔버(1220)에서 형성될 수 있다. 리튬 금속의 박막들을 증착하기 위한 임의의 적합한 리튬 금속 막 증착 공정이 사용되어 리튬 금속의 박막을 증착할 수 있다. 리튬 금속의 박막의 증착은, PVD 공정들, 이를테면, 증발, 슬롯-다이 공정, 전사 공정, 또는 3차원 리튬 인쇄 공정에 의해 이루어질 수 있다. 리튬 금속의 박막을 증착하기 위한 챔버는, PVD 시스템, 이를테면, 전자 빔 증발기, 열 증발기, 또는 스퍼터링 시스템, 박막 전사 시스템(대면적 패턴 인쇄 시스템들, 이를테면, 그라비어 인쇄 시스템들, 콤마 바 인쇄, 또는 키스-롤 코팅을 포함함) 또는 슬롯-다이 증착 시스템을 포함할 수 있다.At
동작(1130)에서, 금속 막이 리튬 금속 막 상에 형성된다. 도 6을 참조하면, 금속 막은 금속 막(650)일 수 있고, 리튬 금속 막은 애노드 막(170)일 수 있다. 일 구현에서, 금속 막은, 100 나노미터 이하(예컨대, 약 5 나노미터 내지 100 나노미터; 약 10 나노미터 내지 약 20 나노미터; 또는 약 50 나노미터 내지 약 100 나노미터)의 두께를 갖는 초박형 금속 막이다. 일 구현에서, 금속 막은 구리 막이다. 금속의 박막들을 증착하기 위한 임의의 적합한 금속 막 증착 공정이 사용되어 금속의 박막을 증착할 수 있다. 금속 막의 증착은, PVD 공정들, 이를테면, 증발, 슬롯-다이 공정, 전사 공정, 또는 3차원 리튬 인쇄 공정에 의해 이루어질 수 있다. 금속 막을 증착하기 위한 챔버는, PVD 시스템, 이를테면, 전자 빔 증발기, 열 증발기, 또는 스퍼터링 시스템, 박막 전사 시스템(대면적 패턴 인쇄 시스템들, 이를테면, 그라비어 인쇄 시스템들, 콤마 바 인쇄, 또는 키스-롤 코팅을 포함함) 또는 슬롯-다이 증착 시스템을 포함할 수 있다.In
동작(1140)에서, 유전체 막이 금속 막 상에 형성된다. 도 6을 참조하면, 유전체 막은 유전체 막(660)일 수 있고, 금속 막은 금속 막(650)일 수 있다. 유전체 막은 리튬-이온 전도 증강기로서 기능하고, 수지상정들을 차단한다. 일 구현에서, 유전체 막은 다공성 막이다. 유전체 막은, 도 1과 관련하여 설명된 바와 같은 세라믹 코팅(185)과 유사할 수 있다. 일 구현에서, 유전체 막은, LiPON, 가넷-유형 Li7La3Zr2O12의 결정질 또는 비정질 상들, LISICON(예컨대, Li2+2xZn1-xGeO4, 여기서, 0 < x < 1), NASICON(예컨대, Na1+xZr2SixP3-xO12, 여기서, 0 < x < 3), 수소화붕소리튬(LiBH4), 도핑된 반-페로브스카이트 조성물들, 리튬 함유 황화물들(예컨대, Li2S, Li2S-P2S5, Li10GeP2S12 및 Li3PS4), 및 리튬 아기로다이트들(예컨대, LiPS5X, 여기서, x는 Cl, Br 또는 I임)을 포함하는 그룹으로부터 선택된다. 일 구현에서, 유전체 막은, 20 나노미터 이하(예컨대, 약 1 나노미터 내지 약 20 나노미터; 약 1 나노미터 내지 약 10 나노미터; 또는 약 5 나노미터 내지 약 10 나노미터)의 두께를 갖는다. 일부 구현들에서, 유전체 막은, 제1 중합체 막의 최상부 표면 및 측벽들을 포함하는 제1 중합체 막의 노출된 표면들 위에 형성된다. 유전체 막은, 화학 기상 증착(CVD), 물리 기상 증착(PVD), 이를테면, 증발 또는 스퍼터링, 원자 층 증착(ALD), 슬롯-다이 공정, 딥 코팅, 박막 전사 공정, 그라비어 코팅, 또는 3차원 리튬 인쇄 공정에 의해 보호부 상에 직접 증착될 수 있다.In
동작(1150)에서, 중합체 막이 유전체 막 상에 형성된다. 도 6을 참조하면, 중합체 막은 중합체 막(670)일 수 있고, 유전체 막은 유전체 막(660)일 수 있다. 중합체 막(670)은 접합 층으로서 기능하고, 이온 전도를 향상시킨다. 일 구현에서, 중합체 막은, 폴리비닐리덴 디플루오라이드(PVDF), 폴리에틸렌 옥시드(PEO), 에틸렌 옥시드(EO), 폴리-아크릴로니트릴(PAN), 숙시노니트릴(C2H4(CN)2), 2,3-디클로로-5,6-디시아노-1,4-벤조퀴논, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리에테르 에테르 케톤(PEEK), 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC), 스티렌 부타디엔 고무(SBR) 이온성 액체들 및 이들의 조합들을 포함하는 그룹으로부터 선택된다. 일 구현에서, 중합체 막은, 20 나노미터 이하(예컨대, 약 1 나노미터 내지 약 20 나노미터; 약 1 나노미터 내지 약 10 나노미터; 또는 약 5 나노미터 내지 약 10 나노미터)의 두께를 갖는다. 일부 구현들에서, 중합체 막은, 중합체 막의 최상부 표면 및 측벽들을 포함하는 금속 막의 노출된 표면들 위에 형성된다. 중합체 막은, 물리 기상 증착(PVD), 이를테면, 증발 또는 스퍼터링, 원자 층 증착(ALD), 슬롯-다이 공정, 딥 코팅, 박막 전사 공정, 그라비어 코팅, 또는 3차원 리튬 인쇄 공정에 의해 보호부 상에 직접 증착될 수 있다.At
도 12는, 본원에 설명된 구현들에 따라 애노드 전극 구조들을 형성하기 위한 통합 처리 툴(1200)의 개략도를 예시한다. 통합 처리 툴(1200)은, 본원에 설명된 구현들에 따라 리튬 애노드 디바이스들을 제조하도록 적응된, 어플라이드 머티어리얼스에 의해 제조되는 스마트웹(SMARTWEB®)일 수 있다. 통합 처리 툴(1200)은, 권출 모듈(1202), 처리 모듈(1204), 및 권취 모듈(1206)을 포함하는 롤-투-롤 시스템으로서 구성된다. 특정 구현들에서, 처리 모듈(1204)은, 순차적으로 배열된 복수의 처리 모듈들 또는 챔버들(1210, 1220, 1230, 및 1240)을 포함하며, 이들 각각은, 연속적인 재료 시트(1250) 또는 재료 웹에 대해 하나의 처리 동작을 수행하도록 구성된다. 일 구현에서, 도 12에 도시된 바와 같이, 처리 챔버들(1210-1240)은 처리 드럼(1255)을 중심으로 반경방향으로 배치된다. 반경방향 이외의 다른 배열들이 고려된다. 일 구현에서, 처리 챔버들(1210-1240)은 독립형 모듈식 처리 챔버들이며, 각각의 모듈식 처리 챔버는 다른 모듈식 처리 챔버들로부터 구조적으로 분리되어 있다. 따라서, 독립형 모듈식 처리 챔버들 각각은, 서로 영향을 미침이 없이 독립적으로 배열되거나, 재배열되거나, 교체되거나 또는 유지될 수 있다. 4개의 처리 챔버(1210-1240)가 도시되지만, 임의의 수의 처리 챔버가 통합 처리 툴(1200)에 포함될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.12 illustrates a schematic diagram of an
처리 챔버들(1210-1240)은, 통합 처리 툴(1200)이 본 개시내용의 구현들에 따라 리튬 애노드 디바이스를 증착할 수 있게 하는 임의의 적합한 구조, 구성, 배열, 및/또는 구성요소들을 포함할 수 있다. 예컨대, 이에 제한되진 않지만, 처리 챔버들은, 코팅 소스들, 전원들, 개별 압력 제어부들, 증착 제어 시스템들, 및 온도 제어부를 포함하는 적합한 증착 시스템들을 포함할 수 있다. 전형적인 구현들에 따르면, 챔버들에는 개별 가스 공급부들이 제공된다. 챔버들은 전형적으로, 양호한 가스 분리를 제공하기 위해 서로 분리된다. 본원에 설명된 구현들에 따른 통합 처리 툴(1200)은 증착 챔버들의 수에 있어 제한되지 않는다. 예컨대, 이에 제한되진 않지만, 통합 처리 툴(1200)은 3개, 6개, 또는 12개의 처리 챔버를 포함할 수 있다.The processing chambers 1210-1240 include any suitable structure, configuration, arrangement, and/or components that enable the
일부 구현들에서, 통합 처리 툴(1200)의 처리 챔버(1210-1240) 중 임의의 처리 챔버는, 마그네트론 스퍼터링과 같은 스퍼터링에 의한 증착을 수행하도록 구성될 수 있다. 본원에서 사용되는 바와 같이, "마그네트론 스퍼터링"은, 자석 조립체, 즉, 자기장을 생성할 수 있는 유닛을 사용하여 수행되는 스퍼터링을 지칭한다. 전형적으로, 그러한 자석 조립체는 영구 자석을 포함한다. 이러한 영구 자석은 전형적으로 회전가능 타겟 내에 배열되거나, 또는 자유 전자들이 회전가능 타겟 표면 아래에 생성되는 생성된 자기장 내에 포획되게 하는 방식으로 평면형 타겟에 결합된다. 그러한 자석 조립체는 또한, 평면형 캐소드에 결합되도록 배열될 수 있다.In some implementations, any of the processing chambers 1210-1240 of the
마그네트론 스퍼터링은 또한, 이중 마그네트론 캐소드, 이를테면, 이에 제한되진 않지만, 트윈매그(TwinMag™) 캐소드 조립체에 의해 실현될 수 있다. 일부 구현들에서, 처리 챔버에서의 캐소드들은 상호교환가능할 수 있다. 따라서, 특정 제조 요건들에 대해 장치를 최적화하는 것을 가능하게 하는, 장치의 모듈식 설계가 제공된다. 일부 구현들에서, 스퍼터링 증착을 위한 챔버에서의 캐소드들의 수는, 통합 처리 툴(1200)의 최적 생산성을 최적화하도록 선택된다.Magnetron sputtering may also be realized by a dual magnetron cathode, such as but not limited to a TwinMag™ cathode assembly. In some implementations, the cathodes in the processing chamber may be interchangeable. Accordingly, a modular design of the device is provided, which makes it possible to optimize the device for specific manufacturing requirements. In some implementations, the number of cathodes in the chamber for sputtering deposition is selected to optimize optimal productivity of the
일부 구현들에서, 처리 챔버들(1210-1240) 중 하나 또는 일부는, 마그네트론 조립체 없이 스퍼터링을 수행하도록 구성될 수 있다. 특히, 챔버들 중 하나 또는 일부는, 다른 방법들, 이를테면, 이에 제한되진 않지만, 화학 기상 증착, 원자 레이저 증착 또는 펄스형 레이저 증착에 의해 증착을 수행하도록 구성될 수 있다.In some implementations, one or some of the processing chambers 1210-1240 may be configured to perform sputtering without a magnetron assembly. In particular, one or some of the chambers may be configured to perform deposition by other methods, such as, but not limited to, chemical vapor deposition, atomic laser deposition or pulsed laser deposition.
특정 구현들에서, 처리 챔버들(1210-1240)은, 연속적인 재료 시트(1250)의 양면을 처리하도록 구성된다. 통합 처리 툴(1200)이 수평으로 배향된 연속적인 재료 시트(1250)를 처리하도록 구성되어 있지만, 통합 처리 툴(1200)은 상이한 배향들로 위치된 기판들, 예컨대, 수직으로 배향된 연속적인 재료 시트(1250)를 처리하도록 구성될 수 있다. 특정 구현들에서, 연속적인 재료 시트(1250)는 가요성의 전도성 기판이다. 특정 구현들에서, 연속적인 재료 시트(1250)는, 하나 이상의 층이 상부에 형성된 전도성 기판을 포함한다. 특정 구현들에서, 전도성 기판은, 하나 이상의 규소 흑연 층이 상부에 형성된 구리 기판이다.In certain implementations, the processing chambers 1210-1240 are configured to process both sides of a continuous sheet of
특정 구현들에서, 통합 처리 툴(1200)은 이송 메커니즘(1252)을 포함한다. 이송 메커니즘(1252)은, 연속적인 재료 시트(1250)를 처리 챔버들(1210-1240)의 처리 구역을 통해 이동시킬 수 있는 임의의 이송 메커니즘을 포함할 수 있다. 이송 메커니즘(1252)은, 공통 운반 아키텍처를 포함할 수 있다. 공통 운반 아키텍처는, 권취 모듈(1206)에 위치된 공통 권취 릴(1254), 처리 모듈(1204)에 위치된 처리 드럼(1255), 및 권출 모듈(1202)에 위치된 공급 릴(1256)을 갖는 릴-투-릴 시스템을 포함할 수 있다. 권취 릴(1254), 처리 드럼(1255), 및 공급 릴(1256)은 개별적으로 가열될 수 있다. 권취 릴(1254), 처리 드럼(1255), 및 공급 릴(1256)은, 각각의 릴 내에 위치된 내부 열원 또는 외부 열원을 사용하여 개별적으로 가열될 수 있다. 공통 운반 아키텍처는, 권취 릴(1254), 처리 드럼(1255), 및 공급 릴(1256) 사이에 위치되는 하나 이상의 보조 이송 릴(1253a, 1253b)을 더 포함할 수 있다. 통합 처리 툴(1200)이 단일 처리 구역을 갖는 것으로 도시되어 있지만, 특정 구현들에서, 각각의 개별 처리 챔버(1210-1240)에 대한 분리된 또는 별개의 처리 구역들을 갖는 것이 유리할 수 있다. 별개의 처리 구역들, 모듈들, 또는 챔버들을 갖는 구현들의 경우, 공통 운반 아키텍처는, 각각의 챔버 또는 처리 구역이, 개별 권취 릴 및 공급 릴을 갖고, 하나 이상의 임의적 중간 이송 릴이 권취 릴과 공급 릴 사이에 위치되는 릴-투-릴 시스템일 수 있다. 공통 운반 아키텍처는, 트랙 시스템을 포함할 수 있다. 트랙 시스템은 처리 구역들 또는 별개의 처리 구역들을 통해 연장된다. 트랙 시스템은 웹 기판 또는 별개의 기판들을 운반하도록 구성된다.In certain implementations, the
통합 처리 툴(1200)은, 상이한 처리 챔버들(1210-1240)을 통해 연속적인 재료 시트(1250)를 이동시키기 위한 공급 릴(1256) 및 권취 릴(1254)을 포함할 수 있다. 일 구현에서, 제1 처리 챔버(1210) 및 제2 처리 챔버(1220)는 각각 리튬 금속 막의 일부분을 증착하도록 구성된다. 제3 처리 챔버(1230)는 구리 막을 증착하도록 구성된다. 제4 처리 챔버(1240)는, 리튬 금속 막을 주변 산화제들로부터 보호하기 위해 구리 막 및 리튬 금속 막 위에 보호 코팅을 증착하도록 구성된다. 일부 구현들에서, 완성된 음의 전극은 도면들에 도시된 것과 같이 권취 릴(1254) 상에 수집되는 것이 아니라, 배터리 셀들을 형성하기 위한 분리기와 양의 전극들 등의 통합을 위해 바로 이어질 수 있다.The
일 구현에서, 처리 챔버들(1210-1230)은, 연속적인 재료 시트(1250) 상에 리튬 금속의 박막을 증착하도록 구성된다. 리튬 금속의 박막들을 증착하기 위한 임의의 적합한 리튬 증착 공정이 사용되어 리튬 금속의 박막을 증착할 수 있다. 리튬 금속의 박막의 증착은, PVD 공정들, 이를테면, 증발, 슬롯-다이 공정, 전사 공정, 적층 공정, 또는 3차원 리튬 인쇄 공정에 의해 이루어질 수 있다. 리튬 금속의 박막을 증착하기 위한 챔버들은, PVD 시스템, 이를테면, 전자 빔 증발기, 박막 전사 시스템(대면적 패턴 인쇄 시스템들, 이를테면, 그라비어 인쇄 시스템들을 포함함), 적층 시스템 또는 슬롯-다이 증착 시스템을 포함할 수 있다.In one implementation, the processing chambers 1210-1230 are configured to deposit a thin film of lithium metal on a continuous sheet of
일 구현에서, 제4 처리 챔버(1240)는, 리튬 금속 막 상에 보호 막을 형성하도록 구성된다. 제4 처리 챔버(1240)는, 리튬 금속 막 상에 보호 막을 형성하도록 구성된다. 보호 막은, 본원에 설명된 바와 같은 이온 전도성 물질일 수 있다. 보호 막은, 딥 코팅, 슬롯-다이 코팅, 그라비어 코팅, 적층, 또는 인쇄에 의해 형성될 수 있다. 일 구현에서, 제4 처리 챔버(1240)는, 연속적인 재료 시트(1250) 위에 세라믹 또는 유전체 층을 증착하도록 구성되는 증발 챔버 또는 PVD 챔버이다. 일 구현에서, 증발 챔버는, 예컨대, 진공 환경에서의 열 증발기 또는 전자 빔 증발기(저온)일 수 있는, 도가니 내에 배치될 수 있는 증발 소스를 포함하는 것으로 도시된 처리 구역을 갖는다.In one implementation, the
요약하면, 본 개시내용의 이점들 중 일부는, 리튬 금속 증착을 현재 이용가능한 처리 시스템들에 효율적으로 통합하는 것을 포함한다. 현재, 리튬 금속 증착은 드라이 룸 또는 아르곤 가스 분위기에서 수행된다. 리튬 금속의 휘발성으로 인해, 아르곤 가스 분위기에서 후속 처리 동작들이 수행된다. 아르곤 가스 분위기에서의 후속 처리 동작들의 수행은, 현재 제조 툴들을 개장(retrofit)하는 것을 수반할 것이다. 후속 처리 전에 보호 막으로 리튬 금속을 코팅하는 것은 후속 처리가 진공 하에서 또는 대기 중에서 수행될 수 있게 한다는 것이 본 발명자들에 의해 밝혀졌다. 보호 막은, 불활성 가스 분위기에서 부가적인 처리 동작들을 수행할 필요성을 제거하여 툴들의 복잡도를 감소시킨다. 보호 막은 또한, 리튬 금속 막이 상부에 형성된 음의 전극의 운반, 저장, 또는 둘 모두를 허용한다. 게다가, 보호 막이 이온 전도성 막인 구현들에서, 이온 전도성 막이 최종 배터리 구조에 포함되어 배터리 형성 공정의 복잡도가 감소될 수 있다. 이는, 툴의 복잡도를 감소시키고, 그 결과로서, 소유 비용을 감소시킨다.In summary, some of the advantages of the present disclosure include efficiently integrating lithium metal deposition into currently available processing systems. Currently, lithium metal deposition is performed in a dry room or in an argon gas atmosphere. Due to the volatility of lithium metal, subsequent processing operations are performed in an argon gas atmosphere. Performing subsequent processing operations in an argon gas atmosphere will entail retrofitting current manufacturing tools. It has been found by the present inventors that coating lithium metal with a protective film prior to subsequent processing allows the subsequent processing to be performed under vacuum or in atmosphere. The protective film reduces the complexity of tools by eliminating the need to perform additional processing operations in an inert gas atmosphere. The protective film also allows for transport, storage, or both of the negative electrode having a lithium metal film formed thereon. Moreover, in implementations where the protective film is an ion conductive film, the ion conductive film may be included in the final battery structure to reduce the complexity of the battery formation process. This reduces the complexity of the tool and, as a result, reduces the cost of ownership.
본 개시내용, 또는 본 개시내용의 예시적인 양상들 또는 구현(들)의 요소들을 소개할 때, 단수 표현은 그 요소들 중 하나 이상이 존재한다는 것을 의미하도록 의도된다.When introducing elements of the disclosure, or exemplary aspects or implementation(s) of the disclosure, the expression in the singular is intended to mean that one or more of the elements are present.
"포함", "구비", 및 "갖는"이란 용어들은 포괄적이도록 의도되고, 열거된 요소들 이외의 부가적인 요소들이 존재할 수 있음을 의미한다.The terms “comprising”, “comprising”, and “having” are intended to be inclusive and mean that additional elements other than the listed elements may be present.
전술한 내용들이 본 개시내용의 구현들에 관한 것이지만, 본 개시내용의 다른 그리고 추가적인 구현들이 본 개시내용의 기본적인 범위로부터 벗어나지 않으면서 안출될 수 있으며, 본 개시내용의 범위는 하기의 청구항들에 의해 결정된다.While the foregoing relates to implementations of the present disclosure, other and additional implementations of the disclosure may be devised without departing from the basic scope of the disclosure, which is scoped by the following claims. it is decided
Claims (15)
제1 구리를 포함하는 집전체;
상기 집전체 상에 형성되는 리튬 금속 막;
상기 리튬 금속 막 상에 형성되는 금속 막;
상기 금속 막 상에 형성되는 보호 막 ― 상기 보호 막은 10 나노미터 이하의 평균 세공 크기를 갖는 복수의 나노-세공을 가짐 ―; 및
상기 보호 막 상의 세라믹 막
을 포함하며,
상기 보호 막은, 리튬-이온 전도성 세라믹, 리튬-이온 전도성 유리, 리튬-이온 전도성 중합체, 리튬-이온 전도성 액정, 또는 이들의 조합들을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 리튬-이온 전도성 막이고,
상기 금속 막은, 제2 구리 막, 비스무트 막, 주석 막, 또는 이들의 조합들로부터 선택되며, 상기 금속 막은 상기 리튬 금속 막의 최상부 표면 및 측벽들을 코팅하여 상기 집전체와 접촉하도록 연장되고,
상기 세라믹 막은 산화알루미늄(Al2O3), AlOx, AlOxNy, 옥시수산화알루미늄(AlO(OH)) 또는 AlN으로부터 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는, 애노드 전극 구조.An anode electrode structure comprising:
a current collector including first copper;
a lithium metal film formed on the current collector;
a metal film formed on the lithium metal film;
a protective film formed on the metal film, wherein the protective film has a plurality of nano-pores having an average pore size of 10 nanometers or less; and
ceramic film on the protective film
includes,
The protective film is a lithium-ion conductive film selected from the group comprising lithium-ion conductive ceramic, lithium-ion conductive glass, lithium-ion conductive polymer, lithium-ion conductive liquid crystal, or combinations thereof,
wherein the metal film is selected from a cupric film, a bismuth film, a tin film, or combinations thereof, the metal film coating a top surface and sidewalls of the lithium metal film extending to contact the current collector;
wherein the ceramic film comprises at least one material selected from aluminum oxide (Al 2 O 3 ), AlO x , AlO x N y , aluminum oxyhydroxide (AlO(OH)) or AlN.
상기 제2 구리 막은, 5 나노미터 내지 40 나노미터의 두께를 갖는, 애노드 전극 구조.According to claim 1,
wherein the second copper film has a thickness of 5 nanometers to 40 nanometers.
상기 제2 구리 막은, 10 나노미터 내지 20 나노미터의 두께를 갖는, 애노드 전극 구조.3. The method of claim 2,
wherein the second copper film has a thickness of 10 nanometers to 20 nanometers.
상기 리튬-이온 전도성 막은, 산화알루미늄(Al2O3), LiPON, Li7La3Zr2O12(LLZO), Li2S-P2S5, Li10GeP2S12, Li3PS4, (1-x)LiI-(x)Li4SnS4, xLiI-(1-x)Li4SnS4, (1-x)LiI-(x)Li4SnS4, 또는 (x)LiI-(1-x)Li4SnS4 중 하나 이상을 포함하며, 0 < x < 1인, 애노드 전극 구조.3. The method of claim 2,
The lithium-ion conductive film is aluminum oxide (Al 2 O 3 ), LiPON, Li 7 La 3 Zr 2 O 12 (LLZO), Li 2 SP 2 S 5 , Li 10 GeP 2 S 12 , Li 3 PS 4 , ( 1-x)LiI-(x)Li 4 SnS 4 , xLiI-(1-x)Li 4 SnS 4 , (1-x)LiI-(x)Li 4 SnS 4 , or (x)LiI-(1- x) an anode electrode structure comprising at least one of Li 4 SnS 4 , wherein 0 < x < 1.
상기 리튬 금속 막은, 1 마이크로미터 내지 20 마이크로미터의 두께를 갖는, 애노드 전극 구조.3. The method of claim 2,
The lithium metal film has a thickness of 1 micrometer to 20 micrometers, the anode electrode structure.
상기 집전체는, 2 마이크로미터 내지 8 마이크로미터의 두께를 갖는, 애노드 전극 구조.6. The method of claim 5,
The current collector has a thickness of 2 micrometers to 8 micrometers, an anode electrode structure.
상기 집전체는,
제1 니켈 또는 제1 크로뮴 함유 막;
상기 제1 니켈 또는 상기 제1 크로뮴 함유 막 상에 형성되고 50 나노미터 내지 500 나노미터의 두께를 갖는 상기 제1 구리 막; 및
상기 제1 구리 막 상에 형성되고 20 나노미터 내지 50 나노미터의 두께를 갖는 제2 니켈 또는 제2 크로뮴 함유 막을 포함하는, 애노드 전극 구조.According to claim 1,
The current collector is
a first nickel or first chromium containing film;
the first copper film formed on the first nickel or first chromium-containing film and having a thickness of 50 nanometers to 500 nanometers; and
and a second nickel or second chromium-containing film formed on the first copper film and having a thickness of 20 nanometers to 50 nanometers.
상기 집전체는,
폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 중합체 기판; 및
상기 PET 중합체 기판 상에 형성되는 구리 막을 포함하는, 애노드 전극 구조.According to claim 1,
The current collector is
polyethylene terephthalate (PET) polymer substrates; and
and a copper film formed on the PET polymer substrate.
제1 구리를 포함하는 집전체;
상기 집전체 상에 형성되는 규소 흑연 애노드;
상기 규소 흑연 애노드 상에 형성되는 리튬 금속의 막;
상기 리튬 금속의 막 상의 금속 막 - 상기 금속 막은 구리, 비스무트, 주석, 또는 이들의 조합을 포함함 -;
상기 리튬 금속의 막 상에 형성되는 보호 막; 및
상기 보호 막 상의 세라믹 코팅
을 포함하며, 상기 보호 막은, 리튬-이온 전도성 세라믹, 리튬-이온 전도성 유리, 리튬-이온 전도성 중합체, 리튬-이온 전도성 액정, 또는 이들의 조합들을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 리튬-이온 전도성 막이고, 상기 보호 막은 10 나노미터 이하의 평균 세공 크기를 갖는 복수의 나노-세공을 가지며,
상기 금속 막은 상기 리튬 금속의 막의 최상부 표면 및 측벽들을 코팅하여 상기 집전체와 접촉하도록 연장되고,
상기 세라믹 코팅은 산화알루미늄(Al2O3), AlOx, AlOxNy, 옥시수산화알루미늄(AlO(OH)) 또는 AlN으로부터 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는, 애노드 전극 구조.An anode electrode structure comprising:
a current collector including first copper;
a silicon graphite anode formed on the current collector;
a film of lithium metal formed on the silicon graphite anode;
a metal film on the film of lithium metal, wherein the metal film comprises copper, bismuth, tin, or a combination thereof;
a protective film formed on the lithium metal film; and
Ceramic coating on the protective film
wherein the protective film is a lithium-ion conductive film selected from the group comprising a lithium-ion conductive ceramic, a lithium-ion conductive glass, a lithium-ion conductive polymer, a lithium-ion conductive liquid crystal, or combinations thereof, the protective film has a plurality of nano-pores having an average pore size of 10 nanometers or less,
the metal film extends to contact the current collector by coating the uppermost surface and sidewalls of the film of lithium metal;
wherein the ceramic coating comprises one or more materials selected from aluminum oxide (Al 2 O 3 ), AlO x , AlO x N y , aluminum oxyhydroxide (AlO(OH)) or AlN.
집전체 상에 리튬 금속 막을 형성하는 단계 ― 상기 집전체는 제1 구리 막을 포함함 ―;
상기 리튬 금속 막 상에 금속 막을 형성하는 단계 ― 상기 금속 막은, 제2 구리 막, 비스무트 막, 주석 막, 또는 이들의 조합들로부터 선택되고, 상기 금속 막은 상기 리튬 금속 막의 최상부 표면 및 측벽들을 코팅하여 상기 집전체와 접촉하도록 연장됨 ―;
상기 금속 막 상에 보호 막을 형성하는 단계 ― 상기 보호 막은, 리튬-이온 전도성 세라믹, 리튬-이온 전도성 유리, 또는 이온 전도성 액정을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 리튬-이온 전도성 막이고, 상기 보호 막은 10 나노미터 이하의 평균 세공 크기를 갖는 복수의 나노-세공을 가짐 ―; 및
상기 보호 막 상에 세라믹 막을 형성하는 단계 ― 상기 세라믹 막은 산화알루미늄(Al2O3), AlOx, AlOxNy, 옥시수산화알루미늄(AlO(OH)) 또는 AlN으로부터 선택된 하나 이상의 물질을 포함함 ―
를 포함하는, 방법.A method for forming an anode electrode structure, comprising:
forming a lithium metal film on a current collector, wherein the current collector includes a first copper film;
forming a metal film on the lithium metal film, wherein the metal film is selected from a cupric film, a bismuth film, a tin film, or combinations thereof, the metal film coating the top surface and sidewalls of the lithium metal film extended to contact the current collector;
forming a protective film on the metal film, wherein the protective film is a lithium-ion conductive film selected from the group comprising a lithium-ion conductive ceramic, a lithium-ion conductive glass, or an ion conductive liquid crystal, and the protective film is 10 nanometers. having a plurality of nano-pores having an average pore size of less than or equal to a meter; and
forming a ceramic film on the protective film, the ceramic film comprising at least one material selected from aluminum oxide (Al 2 O 3 ), AlO x , AlO x N y , aluminum oxyhydroxide (AlO(OH)) or AlN —
A method comprising
상기 제2 구리 막은, 5 나노미터 내지 40 나노미터의 두께를 갖는, 방법.11. The method of claim 10,
wherein the cupric film has a thickness of 5 nanometers to 40 nanometers.
상기 제2 구리 막은, 10 나노미터 내지 20 나노미터의 두께를 갖는, 방법.12. The method of claim 11,
The second copper film has a thickness of 10 nanometers to 20 nanometers.
상기 집전체는, 2 마이크로미터 내지 8 마이크로미터의 두께를 갖는, 방법.11. The method of claim 10,
The method of claim 1, wherein the current collector has a thickness of 2 micrometers to 8 micrometers.
상기 집전체는,
제1 니켈 또는 제1 크로뮴 함유 막;
상기 제1 니켈 또는 상기 제1 크로뮴 함유 막 상에 형성되고 50 나노미터 내지 500 나노미터의 두께를 갖는 상기 제1 구리 막; 및
상기 제1 구리 막 상에 형성되고 20 나노미터 내지 50 나노미터의 두께를 갖는 제2 니켈 또는 제2 크로뮴 함유 막을 포함하는, 방법.11. The method of claim 10,
The current collector is
a first nickel or first chromium containing film;
the first copper film formed on the first nickel or first chromium-containing film and having a thickness of 50 nanometers to 500 nanometers; and
and a second nickel or second chromium containing film formed on the first copper film and having a thickness of 20 nanometers to 50 nanometers.
상기 집전체는,
폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 중합체 기판; 및
상기 PET 중합체 기판 상에 형성되는 상기 제1 구리 막을 포함하며, 상기 제1 구리 막은 물리 기상 증착 공정을 통해 증착되는, 방법.11. The method of claim 10,
The current collector is
polyethylene terephthalate (PET) polymer substrates; and
and the first copper film formed on the PET polymer substrate, wherein the first copper film is deposited through a physical vapor deposition process.
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